Za biologe povsod je 25. april ugoden. To je dan DNK in obeležuje datum leta 1953, ko so znanstveniki Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson in Maurice Wilkins objavili semenske znanstvene prispevke, ki opisujejo vijačno strukturo molekule DNK. Leta 2003 so 25. aprila napovedali zaključek projekta Človeški genom. Zdaj vsakoletne svečanosti na ta dan molekulo življenja praznujejo z novimi odkritji. Kakšen boljši čas za novo sliko DNK.
Sem DNK DAVE (ali vsaj tako piše moja registrska tablica od leta 1984) in ena izmed stvari, ki jo moj laboratorij rad počne, je, da "vidi" DNK. Slikamo DNK, da lahko neposredno merimo stvari, ki jih je težko količinsko določiti s posrednimi metodami, ki običajno vključujejo zaporedje štirih kemičnih enot DNK, imenovanih baz.
Prva razkrivajoča slika DNK, posneta z rentgensko difrakcijo. (Raymond Gosling / King's College London) Na primer, rad bi vedel, kje se na vsakem kromosomu začne proces podvajanja DNK. Podvajanje DNK brez napak je ključnega pomena za proizvodnjo zdravih celic. Če je ta postopek nepopoln ali moten, lahko rezultat povzroči raka in druge bolezni.
Na naši sliki ni znano stopnišče z dvojno vijačnico, saj je ta perspektiva pomanjšana - kot gledanje zemljevida države v primerjavi z mestom. Vsaka od teh molekul je enakovredna 50.000 vrtljajem spiralne stopnice - pomemben del človeškega kromosoma.
Izdelava zemljevida DNK
Ta slika, posneta z napravo Bionano Genomics Saphyr, vsebuje posamezne molekule DNK - obarvane v modri, zeleni in rdeči barvi. Ti sklopi DNK so bili poravnani tako, da so jih napeli skozi ozke cevi - imenovane nanokanal -, ki ustrezajo le enemu delu DNK. Ko DNK zdrsne v cev, se prameni zravnajo.
Celotna molekula DNK je obarvana modro, zelene klopi pa so mejniki - ali posebne sekvence DNK, ki se pojavljajo v povprečju na vsakih 4.500 baznih parov. Vzorec mejnikov zagotavlja edinstven odtis prsta, ki nam pove, kje smo po dolžini kromosoma. Rdeči fluorescenčni utripi označujejo mesta, kjer se je DNK začela razmnoževati. Ta mesta imenujemo "izvor razmnoževanja" in so tam, kjer se DNK najprej odvije, da se lahko postopek podvajanja začne.
Raziskovalci iz Bionano Genomics v San Diegu so razvili to tehnologijo nanokanal za načrtovanje področij kromosomov, ki jih sicer ni mogoče uporabiti, zaradi zapletenih genetskih zaporedij, ki otežujejo določitev vrstnega reda štirih baz. Ta naprava je težavo rešila tako, da je »pogledala« na razporeditev zaporedij na eni molekuli naenkrat in lahko v eni uri prebere 30 milijard baznih parov - kar ustreza 10 človeškim genomom.
Moja ekipa in sodelavci Nicka Rhindda z Univerze v Massachusettsu so spoznali, da nam bo ta tehnologija nanokanal omogočila izvedbo eksperimenta, ki ga še nikoli nismo poskusili: preslikati vse lokacije, kjer se hkrati začne kopiranje DNK na milijone enotnih vlaken DNK.
Preden se celica lahko razdeli na dve neodvisni celici, mora DNK narediti kopijo, tako da vsaka prejme celoten sklop kromosomov. Da bi razumeli, kako se genetski material podvaja, je ključno vedeti, kje se kromosom začne proces. To je bil največji izziv preučevati, kako poteka podvajanje lastnih kromosomov in posledično kaj gre narobe pri toliko boleznih, kot je rak, pri katerih podvajanje ne gre.
Razmnoževanje DNK in rak
Vsakič, ko celica deli DNK dvojno vijačnico, se mora podvajati, da bi zagotovila kopijo genetskih navodil za obe celici. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Izvor razmnoževanja je bil nerazložljiv, ker se pojavljajo na več mestih na različnih molekulah, zato moramo pogledati posamezne molekule DNK, da jih zaznamo. Čeprav so znanstveniki že od zgodnjih šestdesetih let prejšnjega stoletja lahko videli enotne molekule DNK, nismo mogli povedati, od kod v kromosomih prihaja katerakoli molekula, zato nismo mogli karkoli preslikati.
Kyle Klein, doktor znanosti. študent v mojem laboratoriju, ki je označil žive človeške matične celice z rdečimi fluorescenčnimi molekulami, ki so označevale lokacije, kjer se je odvijala podvajanje DNK, ki so bile preslikane z napravo Bionano. Te slike so bile nato nameščene na modri in zeleni karti DNK istih molekul DNK.
Pričakujemo, da bo ta metoda popolnoma spremenila naše razumevanje, kako se človeški kromosomi razmnožujejo. Poleg tega, ker večina zdravil za kemoterapijo za zdravljenje raka in večina rakotvornih snovi - ali kemikalij, ki povzročajo raka - v našem okolju delujejo tako, da napadajo DNK, ko se razmnožuje, pričakujemo, da bo ta metoda zagotovila hiter in celovit test, kako te kemikalije motijo podvajanje DNK. Upamo tudi, da bo razkrilo, kako lahko ublažimo te negativne posledice in kako lahko razvijemo boljše in manj strupene kemoterapije.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru.
David M. Gilbert, profesor molekularne biologije, Florida State University
