Canbolat GÜRSES Genetik ve Nanobiyoteknoloji
Bir ucuz maliyetli teknoloji, şu an kullanılan tekniklere nazaran DNA’nın uzun dizilerini okumayı mümkün kılabilir.
University of Washington’da yürütülen araştırma, nanopor DNA dizileme isimli teknolojiyi ilerletmeye çalışıyor. Eğer herşey mükemmel giderse bir gün doku örnekleri ve çevreden elde edilen DNA dizilerini çok hızlı bir biçimde belirleyebilecek elle taşınabilir cihazlar yaratılabilecek.
İnsanların nanopor DNA dizileme hakkında bu kadar çok heyecanlanmalarının bir nedeni bu teknolojinin patojenlerin saptanmasında, genetik hastalıkların hızlıca ve istenilen yerde teşhisinin konmasında tarayıcı benzeri araçların üretilebileceği potansiyelidir.
Bugün kullanılan çoğu gen dizileme teknolojisi çalışmak için tipik olarak 50-100 nükleotidlik DNA parçalarına ihtiyaç duymaktadır. Bu parçalar laboratuvardaki büyük dizileme makinalarıyla işlenmelidir ve bu hantal sürecin tamamlanması günler ya da haftalar sürmektedir.
Nanopor teknolojisi bakteride bulunan küçük, tünel benzeri yapıların avantajına dayanmaktadır. Doğada bulunan bu tür porlar, bakterinin zarından madde geçişinin kontrolüne izin vermektedir.
DNA dizilemede kullanılan genetik olarak modifiye edilmiş bakteriyel membrana dayanan bir nanoporun örnek çizimi
University of Washington’daki araştırmacılar Mycobacterium smegmatis porin A (MspA) isimli nanoporu kullanmaktadırlar. Bu bakteriyel por genetik olarak değiştirildiğinden kanalın en dar bölgesi yaklaşık olarak metrenin milyarda biri olan bir nanometrelik çapa sahiptir. Bu, tek zincirli DNA’nın geçebilmesi için yeterince büyüktür. Daha sonra bu modifiye edilen nanopor iki tuz çözeltisini ayıran bir membrana sokularak iki çözeltiyi birleştiren bir kanal yaratmaktadır.
Bu sistemle bir DNA dizisini okumak için membrana küçük bir voltaj uygulanarak tuz çözeltisindeki iyonların nanopor boyunca akışı sağlanır. İyon akışı ölçülebilir bir akım yaratmaktadır. Eğer bir DNA zinciri çözeltinin bir yerinden membrana katılıp daha sonra pora girerse büyük DNA molekülleri çok daha küçük olan iyonları engeller ve sonuçta akım değişir. Akım değişikliğinin farklılığı hangi nükleotidin (DNA zinciri adenin, timin, guanin ve sitozin nükleotidlerinden oluşmaktadır.) por içinde olduğuna dayanmaktadır. Akımdaki değişikliğin saptanmasıyla nanopor kanalından anlık olarak hangi nükleotidin geçtiği ortaya çıkartılabilir.
DNA dizileme tekniği ilk olarak 1990’larda sunulduğu için araştırmacılar nanopor DNA dizileme tekniğinin şu anki gen dizileme tekniğine göre ucuz ve hızlı bir alternatif olacağını ummaktadırlar. Ancak, girişimleri bazı sorunlarla engellenmektedir. Her bir nükleotidi tek tek nanopordan geçerken tanımlamak zordur. Onun yerine, araştırmacılar bir seferde dört nükleotidle ilişkili akım değişiklikleri üzerinde çalışmalıdırlar. Buna ilaveten, bazı nükleotidler kaçabilir veya bir seferde birden fazla okunabilir. Sonuç olarak, şu anki nanopor dizileme teknolojisi DNA sekansının kesin olmayan bir okunmasını sağlamaktadır.
University of Washington’daki araştırmacılar bu problemleri nasıl aştıklarını açıklıyorlar. Araştırmacılar ilk olarak DNA’yı oluşturan dört farklı nükleotidin toplamda 256 (4x4x4x4) olan muhtemel kombinasyonlarının elektronik imzalarını belirlediler. Daha sonra bir bilgisayar veritabanında bulunan bilinen gen ve genomların belli bölümleri pordan geçerken DNA’nın bir kısmının oluşturduğu akım değişiklikleriyle örtüşen bir bilgisayar algoritması yarattılar. Bu örtüşme, pordan geçen DNA dizisinin veritabanında saklanan DNA dizisine yakın veya eş olduğunu gösterdi. Böylece tüm süreç haftalardan birkaç dakika ya da saate çekilebildi.
Bu yaklaşımı test etmek için araştırmacılar bakteri enfekte eden bir virüs olan Phi X 174 bakteriyofajının dizisini okuyarak onun nanopor sistemini kullandılar. Bu durum genellikle yeni genom dizileme teknolojilerinde değerlendirilmektedir. Sonuçta, bu yeni yaklaşımın bakteriyofajın DNA dizisinin okunmasındaki güvenilirliği ve 4500 nükleotid uzunluğa kadar olan dizilerin okunabileceği belirlendi.
Teknik, veritabanında bulunan önceden dizilenmiş gen ve genomların bilgilerinin eşleşmesine dayandığından yeni keşfedilen gen veya genomların dizilenmesinde kullanılamamasına rağmen bu alandaki performansın geliştirilmesine imkan vermektedir. Bu yeni teknoloji üzerindeki araştırmaların hızlanmasıyla bilim adamları ellerindeki verileri, metodları ve bilgisayar algoritmalarını tüm gen veya genomların dizilenmesi için tamamen uygun hale getirmeye çalışıyorlar.
