Есть конспект?
Пришлите нам!

Швейная машинка для ДНК наматывает гены на катушки


Швейная машинка для ДНК наматывает гены на катушки
Приучаем детишек работать с ДНК с детства! Глядишь, натренируются, будут потом учить своих детей игре "Собери гены и создай своё собственное чудовище" (фото с сайта kimberlychapman.com). Швейная машинка для ДНК наматывает гены на катушки

18 июля 2008

Человек всё глубже проникает в мир микроскопических объектов. И если в прошлом веке сложно было себе представить, что нейрохирурги смогут сшивать мельчайшие капилляры и даже отдельные нервы, то теперь не проблема почти с той же точностью работать с генетическим материалом человека. Во всяком случае — для японских учёных.

Специалисты из университетов Киото (Kyoto University) и Токио (University of Tokyo) создали микроприспособления для работы с длинными спиралями ДНК и разработали новый способ исследования генетического материала.

Учёные уже достаточно давно обучились методологии определения наследственных заболеваний и прочих генетических патологий (пример: всем известный синдром Дауна). Для этого, в частности, использовался метод флуоресцентной гибридизации in situ (fluorescent in situ hybridization).

Однако долгое время работа с ДНК была затруднена. Запутанные спирали, длина которых (у эукариот) может варьироваться от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров при диаметре всего-то пару нанометров, сворачиваются в кольца и всячески пытаются скрыть свои зашифрованные данные.

Чтобы как-то побороться с этой проблемой, ДНК намеренно фрагментировали с помощью ферментов. Но этот метод был по-своему неудобен в использовании (во многих случаях терялись данные о последовательности и расстоянии между генами).

Попытки работать с нитями ДНК напрямую без фрагментации также не принесли значительного успеха. Этот хрупкий материал так и норовил порваться при любом неосторожном движении.

"Оптические щипцы" представляют собой остросфокусированные лазерные лучи, которые держат тот или иной физический объект. Часто на конце исследуемой молекулы химическими методами закрепляют диэлектрическую прозрачную "бусину" из какого-либо полимера с коэффициентом преломления выше, чем у среды. Результирующая сила всегда втягивают бусину в зону максимальной интенсивности лазерного луча, то есть в его центр. В данном исследовании бусины заменили крючок и бобины (иллюстрации с сайтов stanford.edu, nbi.dk и wikipedia.org).

"Оптические щипцы" представляют собой остросфокусированные лазерные лучи, которые держат тот или иной физический объект. Часто на конце исследуемой молекулы химическими методами закрепляют диэлектрическую прозрачную "бусину" из какого-либо полимера с коэффициентом преломления выше, чем у среды. Результирующая сила всегда втягивают бусину в зону максимальной интенсивности лазерного луча, то есть в его центр. В данном исследовании бусины заменили крючок и бобины (иллюстрации с сайтов stanford.edu, nbi.dk и wikipedia.org).

Однако на рубеже веков учёным всё же удалось растянуть спираль с помощью так называемых оптических щипцов (optical tweezers), иногда называемых "оптической ловушкой" или "лазерным пинцетом".

Об этом самые разные научные группы рассказали вот в этой (PDF-документ, 331 килобайт) и многих других статьях. Впрочем, данный метод подходил лишь для небольших молекул.

Новая разработка Кёхэи Тэрао (Kyohei Terao) из университета Киото и его коллег Масао Васидзу (Masao Washizu) и Хидэхиро Оана (Hidehiro Oana) из университета Токио продвинула прогресс на шаг вперёд. Взглянув на эту изящную идею, вновь хочется выкрикнуть: "Всё гениальное — просто".


Флуоресцентное изображение хромосомной ДНК, вытянутой с помощью EOF. На иллюстрации соединены несколько кадров, чтобы показать молекулу целиком. От сворачивания цепочку предохраняют микроколонны (показаны чёрными кругами), которые взаимодействуют с ДНК, но не адсорбируют её на своей поверхности (иллюстрация Terao et al.).

Генетики с помощью лазеров смогли подцепить спираль хромосомной ДНК Schizosaccharomyces pombe (делящихся дрожжей) на микрокрючок, не повреждая растянуть её, а затем намотать на две микробобины, как на катушку для ниток.

О создании своеобразной швейной машинки для ДНК биологи отчитались в статье, которую в открытом доступе опубликовал журнал Lab on a Chip.

Японские учёные с помощью метода фотолитографии создали из полимера a href="http://www.geocities.com/guerinlj/"SU-8/a микрокрючок и микробобины (размеры: 10 x 5 x 4 микрометра). Поверхность устройств никак не модифицировалась, чтобы исключить в дальнейшем адсорбцию на ней ДНК. Справа: их изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (иллюстрация Terao et al.).

Японские учёные с помощью метода фотолитографии создали из полимера SU-8 микрокрючок и микробобины (размеры: 10 x 5 x 4 микрометра). Поверхность устройств никак не модифицировалась, чтобы исключить в дальнейшем адсорбцию на ней ДНК. Справа: их изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (иллюстрация Terao et al.).

"Когда молекула ДНК растянута, определить положение нужного гена (в трёхмерном пространстве) гораздо проще", — отмечает Тэрао в пресс-релизе Королевского химического общества (RSC).

Кстати, считывание информации со спирали ДНК в данном случае можно также сравнить с рассматриванием кадров на видеомагнитофонной ленте или фотоплёнке.

Но расскажем о разработанной технологии подробнее.

Создав электоосмотический поток (EOF), химики растянули нити хромосомных ДНК. Их у Schizosaccharomyces pombe — три, каждая в длину не превышает двух миллиметров.

Все передвижения микроприспособлений и нити контролировали с помощью высокочувствительной видеокамеры и флуоресцентной краски.

Схематическое изображение манипуляций, проводимых с подопытной ДНК. Крючок позволяет исследовать именно тот участок спирали, что интересует учёных (иллюстрация Terao et al.).

Схематическое изображение манипуляций, проводимых с подопытной ДНК. Крючок позволяет исследовать именно тот участок спирали, что интересует учёных (иллюстрация Terao et al.).

Далее оптическими щипцами (иттербиевый лазер, длина волны 1066 нанометров) учёные "подхватили" специально созданный для этих целей микрокрючок в форме латинской буквы Z. Затем им подцепили исследуемую спираль. Концы крючка имеют стреловидную форму, за счёт чего нить ДНК не может "сорваться".

Таким образом, учёные смогли двигать нить в любую сторону. Здесь вы можете посмотреть видео (файл MOV, 1,07 мегабайта), демонстрирующее работу этого микроустройства.

Слева показана работа крючка с единичной молекулой ДНК. Справа — разделение двух нитей при помощи микрокрючка (иллюстрация Terao et al.).

Слева показана работа крючка с единичной молекулой ДНК. Справа — разделение двух нитей при помощи микрокрючка (иллюстрация Terao et al.).

Далее спираль ДНК намотали на микробобины, вращая с помощью лазерных лучей одну катушку вокруг другой (намотка и разматывание, файлы MOV, 1,42 и 9,28 мегабайта).

Теперь ДНК можно перемещать куда угодно вместе с бобинами.

Последовательность изображений (слева — флуоресцентных, справа — схематических) показывает работу микробобин с одной нитью ДНК. Закрашенный чёрным квадрат соответствует закреплённой катушке, белый — той, что вращается вокруг во время наматывания и разматывания (иллюстрация Terao et al.).

Последовательность изображений (слева — флуоресцентных, справа — схематических) показывает работу микробобин с одной нитью ДНК. Закрашенный чёрным квадрат соответствует закреплённой катушке, белый — той, что вращается вокруг во время наматывания и разматывания (иллюстрация Terao et al.).

Ранее проведённые исследования показали, что разрыв цепочки происходит при воздействии на неё силы в диапазоне 100-300 пиконьютонов. Как рассказывают сами учёные, в их работе прилагаемая сила не превышала 25 пиконьютонов.

Отметим, достижение японцев состояло ещё и в том, что сложные несимметричные фигуры (крючок и бобины) держать в лазерном луче сложнее, чем сферические бусины, использовавшиеся ранее.

"Мы продемонстрировали метод и устройства, которые позволяют манипулировать одной молекулой ДНК длиною даже в несколько миллионов пар оснований, не используя при этом фрагментацию. Метод полностью механический и не требует проведения каких-либо химических модификаций исследуемой спирали ДНК", — подводят итог учёные.

Как и любая другая технологическая разработка, эта пройдёт испытание временем. Выйдет ли победителем – увидим через пару десятков лет. А пока, чтобы не было скучно, будем мечтать о конструировании атомов.

Dr.BoT© Konspektiruem.ru