كيف يعمل تسلسل الحمض النووي

إن تسلسل الحمض النووي بسيط للغاية: هناك جزيء ، تنظر إليه ، تدون ما تجده. كنت تعتقد أنه سيكون سهلا - وهو كذلك. لا تكمن المشكلة في البحث والتحقق من الهوية الكيميائية لكل رابط في سلسلة جزيء الحمض النووي ، فهي تتحقق من هذه الهويات عشرات الملايين من المرات مع عدم ارتكاب أي أخطاء. ذلك هو ما هو صعب ، لكن طبيعة الحمض النووي هي أنه إذا كان لديك 95٪ فقط من التسلسل الصحيح ، فقد لا يكون لديك أي شيء على الإطلاق. فكيف يقرأ العلماء بالفعل مخططات علم الأحياء ، ومعهم يبنون نسبة ضخمة من الطب الحديث والتكنولوجيا الحيوية؟

بدأ كل شيء ، بشكل أو بآخر ، مع رجل يدعى فريدريك سانجر. ابتكر سانجر طريقة بارعة لقراءة جزيء الحمض النووي ، والتي تنطوي على استخدام نسخة متخصصة من قواعد الحمض النووي تسمى dDNA ، أو حمض ثنائي الديوكسي الريبونوكلي. يشير 'di' إلى حقيقة أن قواعد dDNA بدون على حد سواء من مجموعات -OH الموجودة على قواعد الحمض النووي الريبي ، بينما لا يزال حمض الديوكسي-الريبونوكلييك الطبيعي (DNA) يحتوي على واحد. في قواعد الحمض النووي العادية ، تعمل هذه المجموعة أحادية OH كنقطة ارتباط للرابط التالي في سلسلة جزيء الحمض النووي. بدون أحد قواعده الخاصة ، لا يمكن لقواعد الحمض النووي الريبي أن تشكل سلاسل مميزة للحمض النووي ، لذا فهي تنهي أي عملية نمو متسلسلة عندما يتم دمجها في خيط DNA المتنامي. أدرك سانجر أنه يستطيع استغلال هذا الميل لقواعد الحمض النووي الريبي (dDNA) لإيقاف أي عملية استطالة متسلسلة لرؤية تسلسل السلسلة نفسها.



تتزايد سرعة تسلسل الحمض النووي بشكل كبير ، ولكن هل يمكن أن يستمر هذا الاتجاه؟

تتزايد سرعة تسلسل الحمض النووي بشكل كبير ، ولكن هل يمكن أن يستمر هذا الاتجاه؟



لنقم بتجربة فكرية سريعة: لنفترض أن لدي جزيء DNA مكون من 4 قواعد مع تسلسل ATGC ، على الرغم من أنني لا أعرف هذا التسلسل وأود ذلك. أعلم أنه يمكن صنع الحمض النووي لنسخ نفسه بسهولة إلى حد ما. فقط قم بتسخينه لدرجة أن اللولب المزدوج 'يذوب' في خيطين منفصلين في وجود الإنزيمات التي تلتقط قواعد الحمض النووي العائمة الحرة عليها ، وسوف ينتهي بك الأمر في النهاية مع حلزون مزدوج منفصل حيث كان لديك واحدة في الأصل. ولكن ماذا لو كانت القواعد العائمة الحرة التي يتم قطعها على هذه الخيوط المفردة عبارة عن مزيج من قواعد الحمض النووي العادية وقواعد الحمض النووي 'الطرفية'؟

حسنًا ، في هذه الحالة ، سنحصل على مزيج من المنتجات ، اعتمادًا على المكان في السلاسل المتنامية ، انتهى الأمر بإدراج قواعد dDNA الطرفية ذات العلامات الفلورية. بالنسبة لجزيء ATGC الخاص بنا ، ستكون بعض السلاسل المكررة كاملة الطول وغير موسومة - لم يحدث أن يتم إدخال قاعدة dDNA على الإطلاق. لكننا سننتهي أيضًا ببعض السلاسل أحادية القاعدة التي تنتهي في قاعدة الحمض النووي DNA C - فقط زوج واحد من القاعدة A-C. بشكل أكثر فائدة ، حصلنا أيضًا على مزيج من خيوط من قاعدتين تنتهي بـ G ، خيوط من ثلاث قواعد تنتهي بعلامة T ، وأربعة خيوط تنتهي بعلامة A. وهذا يعطينا قراءة متسلسلة لـ CGTA ، مما يعني أن التسلسل التكميلي الأصلي كان ATGC.



ومع ذلك ، حتى أتمتة هذه العملية ظلت بطيئة للغاية للسماح بنوع التحليل التلوي على نطاق السكان الذي يتطلبه الطب الحديث وعلم الجينوم. هذا هو المكان الذي ظهر فيه ما يسمى بـ 'التسلسل المتوازي بشكل كبير' ، والذي يشار إليه أحيانًا بالعامية باسم تسلسل البندقية. يشير هذا أساسًا إلى فكرة أنه إذا قمت بتقسيم سلسلة طويلة من الحمض النووي إلى أجزاء أصغر ، يمكنك قراءتها جميعًا في نفس الوقت. يجب عليك قراءة العديد والعديد من النسخ من العينة الإجمالية ، حيث يتعين عليك أخذ تلك البيانات المجزأة وتشغيل خوارزمية تشبه الألغاز لمعرفة كيفية ارتباطها معًا في المقام الأول.

تسلسل Selexa ، مبسط.

تسلسل Selexa ، مبسط.

من المحتمل أن تكون أكثر طرق البندقية شيوعًا هي Solexa ، التي شهدت تفكك الحمض النووي والالتصاق بلوحة زجاجية. تستخدم العملية قواعد طرفية قابلة للانعكاس - القواعد التي ستوقف عملية نمو السلسلة للحظات، حتى يختار العلماء إلغاء حظرهم والسماح بإضافة الرابط التالي. تتيح دورة الإضافة-القراءة-إلغاء الحظر الصارمة للعلماء التقاط لقطة لملايين الأجزاء ، وقراءة القاعدة في نهاية كل واحدة قبل السماح بإضافة قاعدة طرفية أخرى مؤقتًا والتقاط لقطة جديدة.



غيّر التسلسل الموازي بشكل كبير اللعبة بالنسبة إلى الباحثين في علم الجينوم ، ولكنه خطوة بعد هذه التقنيات التي يمكن أن تحدث ثورة في الصحة العامة من خلال جعل سرعة التسلسل الهائلة ميسورة التكلفة وعملية. هناك العديد من العطاءات المتنافسة للقيام بذلك ، لكنهم جميعًا يحاولون إزالة عملية تكرار الحمض النووي تمامًا - ما يسمى بالقراءة 'المباشرة' لجزيء الحمض النووي دون الحاجة إلى تفاعلات فوضوية ومتطلبة وتستغرق وقتًا طويلاً من الحمض النووي مع الإنزيمات.

مينيون USB عصا DNA التسلسل

متسلسلات الحمض النووي من الجيل التالي أكثر من مجرد سريعة - إنها عملية.

أنجح هذه التقنيات المبكرة هو التسلسل النانوي. تغذي هذه الطريقة بالفعل خيطًا من الحمض النووي من خلال ثقب في مادة موصلة. عندما تتحرك القواعد عبر هذا النانو ، فإن أحجامها المختلفة قليلاً تمد المسام بمقدار مميز - وهذا التغيير في الضغط الميكانيكي على المسام يترجم إلى تغيير في التوصيل الكهربائي. من خلال قراءة التغييرات في الموصلية حيث يتم تغذية خيط من الحمض النووي من خلال ثقب نانوي ، يمكن لهذه المتسلسلات التخلص من تفاعلات النسخ القديمة.

سيكون هذا أمرًا مهمًا ، حيث يتم اختراع المزيد والمزيد من تقنيات الحمض النووي التي يمكن أن تساعد العاملين في مجال المساعدة في البيئات غير المضيافة ، أو ملايين فقط من أطباء الأسرة حول العالم الذين لا يستطيعون إجراء تجربة Solexa كل يوم أو نحو ذلك. سيؤدي تحسين تقنية التسلسل إلى فتح بعض الأبواب البحثية الجديدة ، ولكن بالنسبة للمختبرات ذات التمويل الجيد ، فإن القيود المفروضة على التسلسل مرتفعة بالفعل بشكل فلكي. في هذه المرحلة ، فإن استيراد تكنولوجيا التسلسل الأحدث والأفضل هو في القدرة على إضفاء الطابع الديمقراطي على أكثر فروع العلوم الفيزيائية ظهورًا في الوقت الحالي. قد تسمح الاختراقات التسلسلية بإحصاءات علمية جديدة ، ولكن على الأرجح ستسمح بالتطبيق الواقعي للإحصاءات التي لدينا منذ فترة.

كل تلك المقالات التي قرأتها عن إمكانات الطب الشخصي؟ يجب أن تستمر هذه الأنواع من الاختراقات التسلسلية ، لجعلها حقيقة واقعة. ولكن على عكس الجرافين والموصلات الفائقة في العالم ، لا يمكن إنكار التسلسل التكنولوجي تقريبًا إرادة الوصول إلى هناك ، وليس ببطء. لذا ، فإن السؤال الآن لا يصبح ، 'كيف نتسلسل المزيد من الحمض النووي؟' ولكن بدلاً من ذلك ، 'ماذا يمكننا أن نفعل بهذه التسلسلات ، بمجرد أن نضعها في أكبر عدد ممكن من الأيدي؟'

تحقق من سلسلة 2007es.com Explains الخاصة بنا للحصول على تغطية أكثر عمقًا لأهم الموضوعات التقنية اليوم.

Copyright © كل الحقوق محفوظة | 2007es.com