Pentru biologii de pretutindeni, 25 aprilie este de bun augur. Este Ziua ADN-ului și comemorează data din 1953, când oamenii de știință Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson și Maurice Wilkins au publicat lucrări științifice seminale care descriu structura elicoidală a moleculei de ADN. În 2003, 25 aprilie a fost utilizat pentru a anunța finalizarea Proiectului genomului uman. Acum festivitățile anuale din această zi sărbătoresc molecula vieții cu noi descoperiri. Ce moment mai bun pentru a oferi o nouă imagine a ADN-ului.
Eu sunt DNA DAVE (sau cel puțin placa mea de înmatriculare din 1984 spune așa) și unul dintre lucrurile pe care laboratorul meu îi place să le facă este să „văd” ADN-ul. Facem imagini cu ADN, astfel încât să putem măsura direct lucruri dificil de cuantificat folosind metode indirecte care implică de obicei secvențializarea celor patru unități chimice ale ADN-ului, numite baze.
Prima imagine revelatoare a ADN-ului luat cu difracția de raze X. (Raymond Gosling / King's College London) De exemplu, aș dori să știu unde începe pe fiecare cromozom procesul de replicare a ADN-ului. Duplicarea ADN-ului fără erori este esențială pentru producerea de celule sănătoase. Când acest proces este incomplet sau perturbat, rezultatul poate provoca cancer și alte boli.
În imaginea noastră, această scară dublă cu helix nu este vizibilă, deoarece această perspectivă este micșorată - cum ar fi să privim harta unei țări versus un oraș. De asemenea, fiecare dintre aceste molecule este echivalentă cu 50.000 de rotații ale scării elicoidale - un segment substanțial al unui cromozom uman.
Realizarea unei Hărți a ADN-ului
Această imagine, preluată cu un dispozitiv numit imagist Bhyano Genomics Saphyr, prezintă molecule individuale de ADN - colorate în albastru, verde și roșu. Aceste fire de ADN au fost aliniate aruncându-le prin tuburi înguste - numite nanocanale - care se potrivesc doar cu o bucată de ADN. Pe măsură ce ADN-ul alunecă în tub, șuvițele se îndreaptă.
Întreaga moleculă de ADN este colorată albastru, iar marcajele verzi sunt repere - sau secvențe specifice de ADN care apar în medie la 4.500 de perechi de baze. Modelul reperelor oferă o amprentă unică care ne spune unde ne aflăm pe lungimea unui cromozom. Blipsurile fluorescente roșii marchează locațiile în care ADN-ul a început să se reproducă. Aceste site-uri sunt numite „originile replicării” și sunt locurile în care ADN-ul se desface mai întâi, astfel încât procesul de duplicare să poată începe.
Cercetătorii de la Bionano Genomics din San Diego au dezvoltat această tehnologie de nanocanel pentru a diagrama regiunile cromozomilor care, altfel, erau imposibile, datorită secvențelor genetice complicate care îngreunează determinarea ordinii celor patru baze. Acest dispozitiv a rezolvat problema „privind” aranjarea secvențelor pe o moleculă simultan și este capabil să citească 30 de miliarde de perechi de baze într-o oră - echivalentul a 10 genomi umani.
Echipa mea și cea a lui Nick Rhind de la Universitatea din Massachusetts au recunoscut că această tehnologie de nanocanel ne va permite să realizăm un experiment care nu a mai încercat până acum: să afișăm toate locațiile în care replicarea ADN-ului începe simultan pe milioane de fibre ADN unice.
Înainte ca o celulă să se poată împărți în două celule independente, ADN-ul trebuie să facă o copie a acesteia, astfel încât fiecare să primească un set complet de cromozomi. Pentru a înțelege modul în care materialul genetic este duplicat, este esențial să știm unde de-a lungul cromozomului începe procesul. Aceasta a fost cea mai mare provocare pentru a studia modul în care are loc replicarea cromozomilor noștri și, în consecință, ceea ce nu merge în atâtea boli, cum ar fi cancerul, în care replicarea se deranjează.
Replicarea ADN-ului și cancerul
De fiecare dată când o celulă divizează dubla helix ADN trebuie să se dubleze pentru a furniza o copie a instrucțiunilor genetice ambelor celule. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Originile replicării au fost evazive, deoarece apar în multe site-uri de pe molecule diferite, așa că trebuie să ne uităm la molecule de ADN unice pentru a le detecta. Deși oamenii de știință au putut vedea molecule de ADN unice încă de la începutul anilor ’60, nu am putut spune de unde din cromozomi provine vreo moleculă, așa că nu am putut să mapăm nimic.
Kyle Klein, doctor în doctorat. student în laboratorul meu, a marcat celule stem vii umane cu molecule roșii fluorescente care au marcat locațiile în care a avut loc replicarea ADN-ului, care au fost mapate cu dispozitivul Bionano. Aceste imagini au fost apoi suprapuse pe hărțile ADN albastre și verzi ale acelorași molecule de ADN.
Ne așteptăm ca această metodă să ne transforme complet înțelegerea modului de reproducere a cromozomilor umani. Mai mult, din moment ce majoritatea medicamentelor chimioterapice pentru tratamentul cancerului și majoritatea cancerigenelor - sau substanțele chimice cauzatoare de cancer - în mediul nostru funcționează prin atacarea ADN-ului atunci când se reproduce, ne așteptăm ca această metodă să ofere un test rapid și cuprinzător pentru modul în care aceste substanțe chimice perturbă replicarea ADN-ului. Sperăm, de asemenea, să dezvăluie cum am putea atenua aceste consecințe negative și cum am putea dezvolta tratamente de chimioterapie mai bune și mai puțin toxice.
Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation.
David M. Gilbert, profesor de biologie moleculară, Florida State University
