"DNA Mikroskobu" doğdu! Zhang Feng ve diğerlerinin yıkıcı keşfi, genomu doğrudan gözlemleyebilir
Mikroskop, insanlık tarihinin en büyük icatlarından biridir.Mikroskobun gelişim tarihinde iki büyük gelişme olmuştur: optik mikroskobun ve elektron mikroskobunun icadı.
Şimdi, mikroskopi alanı üçüncü devrimi başlatıyor olabilir - "DNA mikroskobu" çıkıyor!
20 Haziran 2019'da, CRISPR gen düzenlemesine önemli bir katkıda bulunan Profesör Zhang Feng ve Howard Hughes Tıp Enstitüsü'nden (HHMI) meslektaşları, temel sonuçlarını Cell'de yayınladılar. Büyük miktarda genomik bilgi toplarken hücrelerin görüntülerini oluşturabilen yepyeni bir "DNA mikroskobu" geliştirdi.
İnsanın mikroskobik perspektifi Sincan bölgesine girdi
17. yüzyıla dayanan optik tabanlı mikroskoplar, mikroskobik dünyanın insan anlayışını ortaya çıkarmıştır. Optik mikroskop, örneği aydınlatmak için esas olarak görünür ışığa dayanır ve nesneyi bir lens kombinasyonu ile büyütür.
Biyotıp alanında, optik mikroskobun icadı devrim niteliğinde bir teknolojik atılımdır ve hayatın temel biriminin hücre olduğunu fark etmemizi sağlar ve aynı zamanda insanların penisilinin keşfi gibi hastalıkları anlamasına ve önlemesine büyük ölçüde yardımcı olur.
Daha sonra bilim adamları, optik mikroskopi yöntemlerini defalarca yükselterek, görünür spektrumu bile aştılar.
Ernst Ruth tarafından 1913'te icat edilen elektron mikroskobu, görüntüleme seviyesini atomik seviyeye getirdi. Araştırmacıların atomik düzeyde fizyolojik süreçleri ve tek tek moleküllerin yapısını anlamalarını sağlar.
Günümüzde bilim adamları, dokuların ve hücrelerin içini gözlemlemek için ışığı, röntgen ışınlarını ve elektronları kullanabilirler.
Tanıdık elektron mikroskobu, floresan mikroskobu ve ince tabaka mikroskobu, numuneler tarafından yayılan fotonları veya elektronları algılama ilkesine dayanmaktadır. Bu tür bir mikroskopla, bilim adamları beyindeki ipliksi sinir liflerini izleyebilir ve hatta canlı fare embriyolarının orijinal kalbin atan hücrelerini nasıl ürettiğini gözlemleyebilir.
Ancak, bu mikroskopların hiçbiri, genom seviyesindeki hücrelerde neler olduğunu göremez.
Nükleik asit seviyesini doğrudan gözlemlemek için çoğu laboratuvar ve klinik moleküler prob teknolojisine güvenir, bu da gözlemlenecek nükleik aside tamamlayıcı olan baz çiftinin hücreye sokulması, tespit edilecek nükleik asidin baz tamamlayıcı eşleştirme prensibi ile etiketlenmesi ve ardından flüoresans kullanılması anlamına gelir. Test edilecek nükleik asidi gösteren renkli madde. Bu dolaylı yöntem, araştırmacıların nükleik asitleri gözlemlemesine izin verse de, numune hazırlama süreci zahmetli ve zaman alıcıdır.
Profesör Zhang Feng tarafından bu kez geliştirilen DNA mikroskopi teknolojisi, fiziksel bir görüntüyü DNA'ya kodlamak için benzersiz bir görüntüleme modu ve özel görüntüleme ilkeleri kullanır. Önce her bir nükleik asidi kodlamak için etiketli nükleik asit "yığınını" kullanın ve ardından veri analizini kullanın Fiziksel görüntüsünü "yansıtın", böylece genomun doğrudan gözlemini gerçekleştirin.
Şekil | DNA Mikroskopisinin Prensipleri
En son DNA mikroskopi teknolojisinin görüntüleme prensibi, hayal ettiğimizden farklı olabilir ve DNA zincirini doğrudan göstermez. Bunun nedeni, DNA'daki her bir baz molekülünün sayısının her hücrede çok küçük olmasıdır, onu doğrudan etiketlesek bile, etiketleme sinyalini doğrudan gözlemlemek zordur.
Bu nedenle, Profesör Zhang Feng'in araştırma ekibi, bu sorunu çözmek için çok akıllı bir yöntem benimsemiş ve moleküllerin "istiflenmesiyle" kimyasal sentez yöntemini benimsemiştir.
Araştırmacı ilk olarak test edilecek hücreleri bir cam slayt üzerine düşürür ve buna göre sabitler. Daha sonra hücrelere çeşitli DNA markörleri (burada cDNA fragmanları kullanılır) enjekte edilir ve bu DNA markörleri, onları benzersiz etiketler yapmak için tamamlayıcı RNA moleküllerine bağlanır.
Ancak şu ana kadar genomu görsel olarak gözlemleyemiyoruz, bu nedenle kimyasal sentez işe yarıyor. Araştırmacılar, bu ithal DNA işaretleyicilerini çok sayıda kopyayı çoğaltmak için şablon olarak kullanıyor, böylece etiketlenmiş her nükleik asit asılmış oluyor. Büyük bir etiketlenmiş kopya yığını ", böylece bitişik etiketli moleküller" moleküler yığınlama "yoluyla birbirleriyle çarpışır ve sonra bunları birbirine bağlar.
Araştırmanın ana liderlerinden Profesör Joshua A.Weinstein, Her molekülü kendi sinyalini dışarıya yayan bir radyo kulesi olarak düşünün. Ne kadar yakın olursanız, o kadar çok DNA çifti üretilebilir ve "moleküler yığınlama" etkisi daha belirgindir, tam tersine, ne kadar uzakta olursanız, bu DNA çiftleri o kadar az ve "moleküler yığınlama" etkisi o kadar zayıf olur.
Bu süreçten yaklaşık 30 saat sonra, araştırmacılar her bir tabanı tanıyan "moleküler yığın" ı bir araya getirdi ve ardından ekip, bu "moleküler yığınlar" sinyallerini analiz etmek için bilgisayar algoritmaları kullandı ve orijinal örnekte yaklaşık 50 milyonu birleştirdi. Genin baz dizisi bir görüntüye dönüştürülür, böylece deneyci, numunenin genomik bilgilerini bir optik mikroskop altında gözlemleyebilir.
Bu çalışmaya katılan Howard Hughes Tıp Enstitüsü'nde araştırmacı olan Aviv Regev, şunları söyledi: Böyle bir hücrenin tam bir görüntüsünü yakalamak için pahalı bir mikroskop veya çok sayıda pahalı ekipman gerekmez, sadece bir numune ve bir "pipet" yeterlidir.
Resim | Sıra kodu ekran resmi (kırmızı ışık RFP, yeşil ışık GFP, beyaz ışık GAPDH) (Kaynak: Hücre)
Biyotıp alanında büyük bir atılımı tetikleyebilir
DNA mikroskobu teknolojisi ilkesi ve ekipmanın hazırlanması tamamlandıktan sonra, araştırmacılar DNA mikroskopi teknolojisinin görüntüleme etkisini doğrulamak için birkaç iyi bilinen gen kullandılar. Araştırmacılar, temel deneylerde en sık kullanılan birkaç marker proteini seçti ve şunu buldu: DNA mikroskopi teknolojisi, sıradan floresans mikroskopları tarafından yakalanan hücre görüntülerini yeniden oluşturabilir.
Şekil | Floresan mikroskobu görüntüsü ile DNA mikroskobunun karşılaştırması (Şekil A ve B, floresan mikroskopları ve D, DNA mikroskobu) (Kaynak: Hücre)
Profesör Weinstein, "Optik mikroskop altında gördüklerinizi temelde tamamen yeniden yapılandırabilirsiniz. İki yöntem birbirini tamamlar. Optik mikroskop, numunede seyrek olsalar bile molekülleri çok iyi görebilir. DNA mikroskobu Moleküller yoğun olduğunda, moleküller istiflendiğinde bile çok iyi bir görüntü etkisine sahiptir.
Şekil | "DNA mikroskobu" görüntüsü, her nokta bir hücreyi temsil eder ve renk, içerdikleri DNA dizisini gösterir (Kaynak: MIT VE HARVARD GENİŞ ENSTİTÜSÜ)
Bu çalışmanın temel araştırmacısı Profesör Zhang Feng, "Her hücrenin benzersiz bir DNA tabanı veya genotip bileşimi vardır. DNA mikroskobu, üzerinde çalışılan molekülden doğrudan bilgi alarak, genotipi fenotipe bağlamanın yeni bir yolunu açar. Bu, araştırmacıların gen ekspresyonunu protein fonksiyon ekspresyonuyla daha sezgisel olarak bağlamasına ve çeşitli biyoloji dallarının hızlı gelişimini teşvik etmesine olanak tanıyor.
Şekil | DNA mikroskobu teknolojisi görüntüleme ilkesi ve görüntüleme diyagramı (Kaynak: Hücre)
DNA mikroskobunun icadı, tüm biyomedikal alanda büyük bir dönüm noktasıdır. Mikroskopideki her atılım, tüm yapısal biyolojiyi doğrudan yeni bir seviyeye getiren kriyo-elektron mikroskobunun icadı gibi biyotıp alanında yeni araştırma alanları getirecektir.
Bu nedenle, DNA mikroskopi teknolojisinin geliştirilmesinin önemi, kendi teknolojik atılımlarıyla sınırlı değildir, daha da önemlisi gelecekteki uygulama olanakları ve potansiyeli ile sınırlıdır. Bu, diğer araştırmacıları, genotip ve fenotip arasındaki ilişki, tümöre özgü hedefli ilaçlar ve reseptör blokerleri gibi birçok alanda daha yaratıcı olmaya teşvik edecektir.
İmmün sistem mükemmel bir örnektir.İmmün hücre genleri, bir baz değişikliği nedeniyle mutasyona uğrayabilir ve her mutasyon, hücre tarafından üretilen antikor tipinde büyük bir değişikliğe neden olur ve hücrenin doku içindeki farklı pozisyonları da antikor üretimini değiştirebilir. Weinstein, DNA mikroskopisinin bir gün bilim adamlarının kanser immünoterapi tedavilerinin gelişimini hızlandırmasına ve hastaların bağışıklık sistemlerinin vücutlarındaki tümör dokularına karşı savaşmasına yardımcı olabileceğine inanıyor. Yöntemin, belirli kanser hücrelerini hedef almaya en uygun bağışıklık hücrelerini potansiyel olarak tanımlayabileceğini söyledi.
Regev'in görüşüne göre, bu mikroskopi tekniğinin potansiyeli çok büyük. "İnsanların hayal gücüne ilham verebileceğini ve insanların hiç düşünmediğimiz harika fikirlerden ilham almasını sağlayacağını umuyoruz."
-Son-
referans:
Joshua A. Weinstein, Aviv Regev, Feng Zhang DNA Mikroskobu: Bağımsız Bir Kimyasal Reaksiyonla Optiksiz Uzaysal Genetik Görüntüleme
https://www.hhmi.org/news/dna-microscopy-offers-entirely-new-way-to-image-cells
