Bagi biolog di mana-mana, 25 April adalah bertuah. Ia adalah Hari DNA dan memperingati tarikh pada tahun 1953 apabila ahli sains Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson dan Maurice Wilkins menerbitkan karya sains seminalis yang menggambarkan struktur heliks molekul DNA. Pada tahun 2003, 25 April digunakan untuk mengumumkan penyelesaian Projek Genom Manusia. Sekarang perayaan tahunan pada hari ini meraikan molekul hayat dengan penemuan baru. Apa masa yang lebih baik untuk memberi gambaran baru DNA.
Saya DNA DAVE (atau sekurang-kurangnya plat lesen saya sejak tahun 1984 mengatakan demikian), dan salah satu perkara yang saya suka lakukan adalah untuk melihat "DNA". Kami mengambil imej DNA supaya kita dapat mengukur secara langsung perkara-perkara yang sukar dikira dengan menggunakan kaedah tidak langsung yang biasanya melibatkan penjujukan keempat unit DNA DNA yang disebut bas.
Imej pertama yang mendedahkan DNA yang diambil menggunakan pembelauan sinar-X. (Raymond Gosling / King's College London) Sebagai contoh, saya ingin mengetahui di mana setiap kromosom proses replikasi DNA bermula. Kelewatan bebas daripada DNA adalah penting untuk menghasilkan sel-sel yang sihat. Apabila proses ini tidak lengkap atau terganggu, hasilnya boleh menyebabkan kanser dan penyakit lain.
Dalam imej kita, tangga helikopter ganda yang biasa tidak kelihatan kerana perspektif ini diperbesar - seperti melihat peta sesebuah negara berbanding bandar. Juga setiap molekul ini bersamaan dengan 50, 000 lilitan tangga heliks - segmen utama kromosom manusia.
Membuat Peta DNA
Imej ini, diambil dengan peranti yang dikenali sebagai imaginasi Bionano Genomics Saphyr, mempunyai molekul DNA individu - berwarna biru, hijau dan merah. Struktur DNA ini telah diselaraskan dengan mengulurkannya melalui tiub sempit - yang dipanggil nanochannels - yang hanya muat satu bahagian DNA. Apabila DNA tergelincir ke dalam tiub, gelang meluruskan.
Seluruh molekul DNA berwarna biru dan tanda semak hijau adalah mercu tanda - atau urutan DNA tertentu yang berlaku secara purata setiap 4, 500 pasangan asas. Corak mercu tanda memberikan cap jari unik yang memberitahu kita di mana kita berada di sepanjang kromosom. Blok pendarfluor merah menandai lokasi di mana DNA telah mula direplikasi. Laman-laman ini dipanggil "asal-usul replikasi" dan di mana DNA mula-mula berehat sehingga proses duplikasi boleh bermula.
Penyelidik di Bionano Genomics di San Diego telah membangunkan teknologi nanochannel ini untuk mencatatkan kawasan kromosom yang sebaliknya tidak dapat diaplikasikan, disebabkan oleh urutan genetik yang rumit yang menjadikannya sukar untuk menentukan susunan empat pangkalan. Peranti ini menyelesaikan masalah dengan "mencari" pada susunan urutan pada satu molekul pada satu masa dan mampu membaca 30 bilion pasangan asas dalam satu jam - bersamaan dengan 10 genom manusia.
Pasukan saya dan Nick Rhind di University of Massachusetts mengakui bahawa teknologi nanochannel ini akan membolehkan kita melakukan eksperimen yang tidak pernah dicuba sebelum: peta semua lokasi di mana replikasi DNA bermula serentak pada berjuta-juta serat DNA tunggal.
Sebelum sel boleh dibahagikan kepada dua sel bebas, DNA mesti membuat satu salinan sendiri supaya setiap satu menerima set lengkap kromosom. Untuk memahami bagaimana bahan genetik diduplikasi adalah penting untuk mengetahui di mana di sepanjang kromosom proses bermula. Itulah cabaran terbesar untuk mempelajari bagaimana replikasi kromosom kita berlaku dan akibatnya apa yang salah dalam begitu banyak penyakit, seperti kanser, di mana replikasi berjalan lancar.
Replikasi DNA dan Kanser
Setiap kali sel membahagi dua helix DNA mesti menduplikasi dirinya sendiri untuk memberikan salinan arahan genetik kepada kedua-dua sel. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Asal usul replikasi telah sukar difahami kerana ia berlaku di banyak laman web di atas molekul yang berbeza jadi kita perlu melihat molekul DNA tunggal untuk mengesannya. Walaupun para saintis telah dapat melihat molekul DNA tunggal sejak awal 1960-an, kami tidak dapat mengetahui di mana dalam kromosom mana-mana molekul datang, jadi kami tidak dapat memetakan apa-apa.
Kyle Klein, Ph.D. pelajar di makmal saya, dilabelkan sel induk manusia yang hidup dengan molekul pendarfluor merah yang menandakan lokasi di mana replikasi DNA berlaku, yang dipetakan dengan peranti Bionano. Imej-imej ini kemudian ditapis ke atas peta DNA biru dan hijau dari molekul DNA yang sama.
Kami menjangka kaedah ini benar-benar mengubah pemahaman kita tentang bagaimana kromosom manusia meniru. Selain itu, kerana kebanyakan ubat kemoterapi untuk rawatan kanser dan kebanyakan karsinogen atau bahan kimia penyebab kanser - dalam persekitaran kita bekerja dengan menyerang DNA apabila mereplikasi, kami menjangkakan kaedah ini dapat memberikan ujian yang cepat dan komprehensif tentang bagaimana bahan kimia ini mengganggu replikasi DNA. Kami juga berharap ia mendedahkan bagaimana kita boleh mengurangkan kesan negatif ini, dan bagaimana kita boleh membangunkan rawatan kemoterapi yang lebih baik dan kurang toksik.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
David M. Gilbert, Profesor Biologi Molekul, Florida State University
