Za biologe širom svijeta 25. travnja djeluje povoljno. Dan DNA je i obilježava se datum 1953. godine, kada su znanstvenici Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson i Maurice Wilkins objavili semenarne znanstvene radove koji opisuju spiralnu strukturu molekule DNA. 2003. godine 25. travnja korišten je za najavu završetka projekta Ljudski genom. Sada godišnje proslave na ovaj dan molekule života slave s novim otkrićima. Koje je bolje vrijeme za pružanje nove slike DNK.
Ja sam DNK DAVE (ili bar moja registarska tablica od 1984. godine tako govori), a jedna od stvari koju moj laboratorij voli je "vidjeti" DNK. Snimamo DNK slike tako da možemo izravno izmjeriti stvari koje je teško kvantificirati neizravnim metodama koje obično uključuju sekvenciranje četiri kemijske jedinice DNA, nazvane baze.
Prva otkrivajuća slika DNA snimljena pomoću difrakcije X-zraka. (Raymond Gosling / King's College London) Na primjer, želio bih znati gdje na svakom kromosomu započinje proces replikacije DNK. Umnožavanje DNA bez grešaka je neophodno za stvaranje zdravih stanica. Kada je taj postupak nepotpun ili poremećen, rezultat može uzrokovati rak i druge bolesti.
Na našoj slici poznato stubište s dvostrukom spiralom nije vidljivo jer je ta perspektiva umanjena - poput gledanja karte zemlje prema gradu. Također je svaka od ovih molekula ekvivalentna 50 000 okretanja spiralnog stubišta - znatnom segmentu ljudskog kromosoma.
Izrada karte DNK
Ova slika, snimljena uređajem pod nazivom Bionano Genomics Saphyr ima značajku pojedinačnih molekula DNA - obojene u plavu, zelenu i crvenu boju. Ti se lanci DNK poravnavaju provlačeći ih kroz uske cijevi - nazvane nanokanale - koje odgovaraju samo jednom komadu DNK. Dok DNK klizi u cijev, žice se uspravljaju.
Čitava molekula DNK obojena je plavo, a zelene kvačice su orijentiri - ili specifični nizovi DNK koji se pojavljuju u prosjeku na svakih 4.500 parova baza. Uzorak orijentira pruža jedinstven otisak prsta koji nam govori gdje smo po duljini kromosoma. Crveni fluorescentni šljokice označavaju mjesta na kojima se DNA počela kopirati. Ta se mjesta nazivaju "podrijetlo replikacije" i mjesto su na kojem se DNA najprije odmotava kako bi mogao započeti proces umnožavanja.
Istraživači iz Bionano Genomics-a u San Diegu razvili su ovu tehnologiju nanokanala za crtanje područja kromosoma koja se inače ne mogu vidjeti, zbog složenih genetskih sekvenci zbog kojih je teško odrediti redoslijed četiri baze. Ovaj je uređaj riješio problem „gledanjem“ rasporeda sekvenci na jednoj molekuli u isto vrijeme i u jednom je satu u stanju čitati 30 milijardi baznih parova - što je ekvivalent 10 ljudskih genoma.
Moj tim i on Nick Rhindda sa Sveučilišta u Massachusettsu shvatili su da će nam ova tehnologija nanokanala omogućiti provođenje eksperimenta koji nikad prije nije pokušao: preslikati sve lokacije na kojima istovremeno počinje replikacija DNA na milijunima vlakana s jednom DNA.
Prije nego što se stanica može podijeliti u dvije neovisne stanice, DNK mora napraviti svoju kopiju tako da svaka dobije čitav niz kromosoma. Za razumijevanje umnožavanja genetskog materijala ključno je znati gdje kromosom započinje proces. To je bio najveći izazov proučavanju načina na koji se odvija replikacija naših vlastitih kromosoma i posljedično što ide po zlu u tolikim bolestima, kao što je rak, u kojima replikacija polazi po zlu.
Umnožavanje DNK i rak
Svaki put kad stanica podijeli dvostruku spiralu DNK, mora se umnožiti kako bi obije stanice dobio kopiju genetskih uputa. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Podrijetlo replikacije je bilo neizlječivo jer se pojavljuju na mnogim mjestima na različitim molekulama, tako da trebamo pogledati pojedinačne molekule DNA kako bismo ih otkrili. Iako su znanstvenici mogli vidjeti pojedinačne molekule DNK od početka 1960-ih, nismo mogli reći odakle u kromosomima dolazi neka molekula, pa nismo mogli ništa preslikati.
Kyle Klein, doktor znanosti. student u mom laboratoriju, označen živim ljudskim matičnim stanicama crvenim fluorescentnim molekulama koje su obilježile mjesta na kojima se odvijala replikacija DNA, a koji su preslikani pomoću Bionano uređaja. Te su slike zatim nalagane na plavu i zelenu mapu DNK istih DNK molekula.
Očekujemo da će ova metoda u potpunosti transformirati naše razumijevanje načina reprodukcije ljudskih kromosoma. Štoviše, budući da većina lijekova za kemoterapiju za liječenje raka i većina karcinogena - ili kemikalija koje uzrokuju rak - u našem okruženju djeluju napadajući DNK kad se repliciraju, očekujemo da će ova metoda pružiti brz i sveobuhvatan test kako te kemikalije remete replikaciju DNK. Također se nadamo da otkriva kako bismo mogli ublažiti ove negativne posljedice i kako bismo mogli razviti bolje i manje toksične kemoterapijske tretmane.
Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation.
David M. Gilbert, profesor molekularne biologije, Sveučilište Florida
