Sekwencjonowanie DNA – Na Czym Polega?

Chociaż od pierwszego odkrycia genotypów DNA minęło ponad 150 lat (pierwszy dokonał tego szwajcarski badacz Fryderyk Meischer w 1869 roku), to jeszcze do niedawna problematyka ta była uważana za swoistą „terra incognita”. Na dobre struktura DNA określona została pod koniec lat 50-tych XX wieku (nobel z 1962 roku), a i tak zajmowanie się sprawą wielu mniej światłych uczonych uznawało za niesmaczną „zabawę w Boga”. Nawet niektóre filmy sci-fi, takie jak klasyczny już dziś obraz „Gattaca” z 1997 roku, na całą tą kwestię patrzyły z pewnego rodzaju podejrzliwością i ostrożnością. XXI wiek przyniósł na powrót ogromne zainteresowanie, a nowe metody sekwencjonowania DNA, opracowane w laboratoriach przy udziale najtęższych umysłów świata, znacznie wpłynęły na możliwości poznania poznania genomów wszystkich żywych organizmów czy wirusów. Na czym obecnie polegają owe metody i jak je można wykorzystać w praktyce? O tym traktuje poniższy artykuł.  

Czym jest sekwencjonowanie DNA?

Zacznijmy od wyjaśnienia samego terminu. Sekwencjonowanie DNA odnosi się do ogólnej techniki laboratoryjnej służącej określeniu dokładnej sekwencji nukleotydów lub zasad w pojedynczej cząsteczce DNA. Sekwencja zasad, która określana jest często pierwszymi literami ich nazw chemicznych (A, T, C i G) koduje informację biologiczną, wykorzystywaną przez komórki do rozwoju i funkcjonowania danego organizmu żywego. Tym samym, ustalenie poszczególnych sekwencji DNA jest kluczem do zrozumienia funkcji genów i innych części genomu. 

A przekładając z naukowego na nasze… Najlepiej sobie wyobrazić kod DNA jako metodę przechowywania pewnych danych – zupełnie jak w przypadku stosowanego przez nas wszystkich pisma drukowanego. Aby odczytać zapisane w ten sposób informacje konieczne jest poznanie samego języka, w którym je stworzono, innymi słowy – nauczyć się czytać dany tekst. A zatem, sekwencjonowanie DNA będzie takim procesem odczytywania danych zakodowanych w DNA. W istocie, postęp technologiczny w naszej najnowszej historii miał podobny wpływ na poznanie tajemnic ludzkiego (i nie tylko) genomu, jak nauka czytania na zmniejszenie poziomu analfabetyzmu w ludzkich populacjach. Kolejnym wyzwaniem i swoistą melodią przyszłości będzie natomiast zwiększenie wiedzy na temat znaczenia pozyskiwanych informacji o DNA dla naszego zdrowia.

Sekwencjonowanie DNA – kilka słów o dzisiejszych metodach 

Obecnie w przestrzeni naukowej dostępnych jest kilka różnych metod sekwencjonowania DNA, a każda z nich ma swoją własną charakterystykę. Nadal pracuje się zresztą nad dodatkowymi rozwiązaniami w tym aspekcie, co stanowi aktywny obszar badań genomiki. Ta ostatnia jest dziedziną biologii molekularnej i biologii teoretycznej, a główną gałęzią tej nauki jest właśnie analiza genomu organizmów żywych.  

Niegdyś sekwencjonowanie DNA opierało się na zarzucanej już dziś stopniowo metodzie Sangera. Opracowany w latach 70-tych XX wieku sposób polegał na kopiowaniu (terminacji) docelowego DNA wiele razy, dzięki czemu powstawały fragmenty łańcucha DNA o różnej długości. Koniec sekwencji wyznaczały wówczas fluorescencyjne nukleotydy. Metoda ta była mozolna i droga, chociaż trzeba przyznać, że niektóre laboratoria do dzisiaj ja stosują by potwierdzić wyniki nowocześniejszych eksperymentów.  

Nowe nadeszło wraz z 2003 rokiem, kiedy to firmy (Apllied Biosystems i Amersham–Pharmacia) zaprezentowały urządzenia, w których sekwencjonowanie DNA odbywało się w pełni automatycznie. Kluczem do sukcesu okazało się zsekwencjonowanie genomu człowieka. Kolejnym krokiem jest metoda o nazwie „Illumina” (rok 2005), która zakłada trójstopniowe postępowanie:  amplifikację (powielenie), właściwe sekwencjonowanie oraz analizę. Całość bazuje na wyjątkowo krótkich fragmentach DNA, dzięki czemu unika się błędów odczytu i zyskuje na czasie. Nowoczesne techniki to także znaczne obniżenie kosztów procedury.     

Sposoby wykorzystania sekwencjonowania DNA 

Istnieje wiele różnych zastosowań medycznych sekwencjonowania DNA. Techniki te można zastosować z powodzeniem do przetestowania jednego genu lub kilku genów, aby pomóc w zdiagnozowaniu rozmaitych schorzeń. Wówczas można określić pewne typy zmian w jednym lub większej liczbie genów, a to ukierunkuje z kolei lekarzy na badanie wyłącznie pod kątem tych znanych już zmian. Doskonałym przykładem może być badanie próbki biopsji tkanki czerniaka w celu ustalenia, czy komórki mutują. Podobnie wykryć można zaburzenia wpływające na tkankę łączną tworzącą wiele części ciała – kości, mięśnie, więzadła, naczynia krwionośne lub zastawki serca. Wszystko dzięki określeniu dokładnej kolejności „liter” w genie, co dostarcza informacje dotyczącą budowy określonego białka w organizmie.

Sekwencjonowanie DNA może okazać się wysoce pomocne przy określeniu odpowiedniej terapii farmakologicznej. Prawda jest taka, że przed podaniem choremu pewnych leków nowej generacji, za każdym razem wykonuje się stosowne badania genetyczne. Niektóre substancje bowiem uderzą precyzyjnie w mechanizm molekularny tylko wtedy, gdy choroba (najczęściej typu nowotworowego) cechuje się określoną mutacją genów. Sekwencjonowanie pozwala to określić.

Last but not least, dzięki sekwencjonowaniu DNA powiększa się cały czas nasza wiedza na temat funkcjonowania rozmaitych organizmów żywych i ich biologicznego potencjału. 

Jaka jest przyszłość metod sekwencjonowania DNA? 

Trzeba przyznać, że przed naukowcami zajmującymi się tą kwestią daleka jeszcze droga. Chociaż udało się po wielu latach badań zsekwencjonować ludzki genom, to nadal organizm człowieka kryje wiele tajemnic. Nadal nie wiadomo o większości genomu, który wymyka się nawet nowoczesnym metodom, ponieważ nie koduje białek.

Nie zmienia to faktu, iż sekwencjonowanie DNA trafia nawet powoli pod strzechy. Można już przeczytać o mobilnych laboratoriach genetycznych, które wykorzystują ręczny sekwencator DNA w połączeniu z… iPhonem! Pozwala to mapować patogeny wirusowe, identyfikując mutacje chociażby grypy. Zupełnie jak w Star Treku…