Zahlavi

Jak číst DNA rychle a levně? Slibný objev by mohl pomoci při diagnostice chorob

19. 05. 2021

Místo fluorescenčních značek elektrochemické signály. I tak by v budoucnu mohla vypadat revoluce v sekvenování DNA. Mezinárodní tým vědců vedený experty z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR objevil způsob, jak efektivně mapovat složitý řetězec dědičné informace – podle předpokladů navíc rychleji a levněji oproti současným metodám. Hlavní slovo v novém přístupu mají elektrody a elektrochemická měření.

Že je každý člověk originál, víme nejen ze zjevných rysů tváře, jedinečných otisků prstů či barvy duhovky. Především v sobě každý jedinec obrazně řečeno ukrývá vlastní knihovnu plnou různých publikací. Některé podědil po rodičích, jiné patří do jakéhosi kánonu povinné literatury a máme je všichni, každopádně kombinace knih je unikátní. Podobně bychom si mohli představovat DNA – kód, který předurčuje vývoj a vlastnosti celého organismu.

Tak jako kniha se skládá jen z několika prvků – pro zjednodušení třeba papíru, tiskařské černě, desek a záložky –, i DNA tvoří pár základních kamenů. Jsou jimi nukleotidy, které obsahují vždy jednu ze čtyř nukleových bází: buď adenin, cytosin, guanin, či thymin neboli A, C, G a T. Vybavíme-li si typické obrázky šroubovice DNA, spojení vždy dvou bází v ní představují jednotlivé příčky. 

DNA
Chromozom obsahuje smotanou šroubovici DNA. Jejími stavebními kameny jsou nukleové báze A, C, G a T.

Právě kombinace písmen a jejich pořadí stojí za jedinečnou genetickou informací každého tvora. Přečíst kompletní lidský genom se podařilo až v roce 2003, a to díky metodě, již v sedmdesátých letech 20. století vyvinul britský biochemik a nobelista Frederick Sanger – sekvenaci DNA.

Sangerův přístup se v různých modifikacích používá dodnes a vycházejí z něj i sekvenace nové generace. Metoda založená na fluorescenčním značení nukleotidů má přitom jisté nevýhody – především je časově i finančně náročná, drahé přístroje si nemohou dovolit všechna pracoviště, která by sekvenování potřebovala například pro usnadnění diagnostiky chorob. Ne vždy je totiž potřeba přečíst kompletní genom, odborníci už vědí, jakou část dědičné informace „proskenovat“, aby se mimo jiné dozvěděli o typu nádorového onemocnění konkrétního pacienta včetně vhodné léčebné strategie. Zkrátka vědí, do jaké poličky v knihovně se podívat.

Napětí místo světla
Pro usnadnění práce lékařům vědci několik posledních dekád hledají nové technologie, jak efektivně, tedy rychleji a levněji, dědičnou informaci nebo její kus přečíst. S průlomovým zjištěním nyní přichází skupina badatelů vedená Michalem Hockem z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR a Ciarou K. O’Sullivanovou ze španělské University Rovira i Virgili.

Schéma elektrochemického značení
Schéma elektrochemického značení a hladiny napětí jednotlivých nukleových bází

Mezinárodní tým, jehož součástí jsou i Biofyzikální ústav AV ČR, Přírodovědecká fakulta UK či Polská akademie věd, zjistil, že místo dosavadního fluorescenčního přístupu by se dalo úspěšně využít principů elektrochemie. „V zásadě namísto abychom měřili absorpci a emisi světla, měříme proud. To je úplně jiný fyzikální přístup, který má jednu nespornou výhodu: nutné přístrojové vybavení zahrnuje elektrody a měřicí zařízení – tedy položky, pohybující se řádově v tisících korun, nikoli milionech, jako si nárokuje drahá fluorescenční metoda,“ říká Michal Hocek.

Podívejme se blíže na to, jak sekvenování DNA probíhá. Aby vědci dešifrovali složitý zápis sledu různě se řetězících písmen A, C, G a T, připojí ke každé nukleobázi značku. Značený nukleotid se prostřednictvím enzymu polymerázy, jež replikuje DNA, připojí na příslušné místo DNA sekvence a pak už jen stačí značku přečíst – v případě fluorescenční metody ji signalizuje barva, u elektrochemického přístupu určitá hladina napětí. Zní to jako banální úkon, ale schovávají se za ním velmi složité procesy.

Příslib do budoucna
Jak autoři aktuální studie, již otiskl prestižní vědecký časopis Journal of American Chemical Society, upozorňují, stále je před nimi dlouhá cesta a bylo by mylné se domnívat, že nový přístup by okamžitě mohl nahradit ten dosavadní. Sangerova metoda je prověřena desetiletími praxe, postupy a přístroje jsou optimalizovány a využívají se v masovém měřítku. Současná zjištění vědců jsou však příslibem do budoucna.

Umělecké ztvárnění elektrochemického značení
Umělecké zpracování elektrochemického kódování DNA bází

Vedle cenové nenáročnosti elektrochemický princip přináší další výhodu – dokáže přečíst všechny čtyři báze najednou. Zatímco čtení fluorescentních značek probíhá postupně, jedna barva po druhé, vědcům se nyní podařilo najít takové značení, které si vzájemně nekonkuruje a je dobře rozpoznatelné v přítomnosti všech čtyř typů. Dosáhli toho prostřednictvím kombinace nových značek založených na karboranových molekulách a již dříve použitých značek na bázi ferrocenu a deazaguaninu.

„Jakmile na DNA, kde je redoxní značka neboli navázaná karboranová molekula, aplikujeme elektrodu s určitým napětím, v jistou chvíli značka zoxiduje a začne přes elektrodu procházet proud. A ten potom měříme,“ vysvětluje Michal Hocek.

Objevit čtyři různé značkovací molekuly s požadovanými vlastnostmi vědcům zabralo čtrnáct let. „Problém je, že všechny známé elektrody mají nepříliš široké potenciálové okno, a aby se nám do něj vešly značky pro všechna čtyři písmena, museli jsme je dlouhodobě testovat,“ přiznává šéf týmu.

Nevýhodou by mohlo být, že elektrochemické značení a čtení více bází současně nedokáže odhalit přesné pořadí písmen, pouze jejich poměr v určité sekvenci. Pro spoustu diagnostických aplikací to ale stačí. Pokud by lékař například chtěl zjistit, zda pacient trpí nějakou konkrétní chorobou, a znal by náležitou sekvenci dané části DNA u zdravého organismu, výsledné sekvenování prozradí odchylku od normálu – třeba že místo dvou adeninů je jen jeden adenin a jeden cytosin.

Michal Hocek
Michal Hocek z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR

Nemožnost určit přesnou lokaci jednotlivých bází však dozajista vyváží jiná vlastnost – rychlost. Současné experimenty poskytují výsledek v řádu desítek minut či několika málo hodin, takže můžeme usuzovat, že po důkladné optimalizaci postupu by časová úspora oproti běžným metodám byla značná. Pro srovnání – přečíst lidský genom prostřednictvím fluorescenční metody sekvenace nové generace zabere více než čtyřiadvacet hodin a poté je třeba výsledky pracně analyzovat pomocí bioinformatického softwaru.

Slibný objev vědci dále rozvíjejí. „Spolu s kolegy v Biofyzikálním ústavu AV ČR a zejména v Taragoně vyvíjíme genosenzory, které budou paralelně detekovat spoustu sekvencí včetně mutací. Elektrody totiž mohou být multikanálové, a lze tak testovat mnoho sekvencí paralelně. Pokud vše klapne, mohla by to být relativně mocná diagnostická metoda, ale k tomu je zatím ještě daleko,“ uzavírá Michal Hocek.

Text: Jana Bečvářová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Shutterstock; archiv Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR; Tomáš Belloň / ÚOCHB AV ČR

Licence Creative Commons Text je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons.

Chemické vědy

Vědecká pracoviště

Chemický výzkum navazuje na tradici vytvořenou významnými českými chemiky jako Rudolfem Brdičkou, Jaroslavem Heyrovským, Františkem Šormem či Ottou Wichterlem. V teoretické i experimentální fyzikální chemii je výzkum orientován na vybrané úseky chemické fyziky, elektrochemie a katalýzy. Anorganický výzkum je zaměřen na přípravu a charakterizaci nových sloučenin a materiálů. Výzkum v oblasti organické chemie a biochemie se soustřeďuje zejména na medicínu a biologii s cílem vytvořit nová potenciální léčiva a dále do ekologie. V oblasti makromolekulární chemie jde o přípravu a charakterizaci nových polymerů a polymerních materiálů, které lze využít v technice, v biomedicíně a ve výrobních, zejména separačních, technologiích. Analytická chemie rozvíjí separační analytické techniky, zejména kapilární mikrometod, a dále se zaměřuje na metody spektrální. Chemicko-inženýrský výzkum je orientován na vícefázové systémy, homo- a heterogenní katalýzu, termodynamiku a moderní separační metody. Sekce zahrnuje 6 ústavů s přibližně 1270 zaměstnanci, z nichž je asi 540 vědeckých pracovníků s vysokoškolským vzděláním.

Všechny výzkumné sekce