Bagaimana urutan DNA bekerja

Mengurutkan DNA sangat, sangat sederhana: ada sebuah molekul, Anda melihatnya, Anda menuliskan apa yang Anda temukan. Anda akan berpikir itu akan mudah - dan memang begitu. Masalahnya bukanlah mencari dan memeriksa identitas kimiawi dari setiap tautan dalam rantai molekul DNA, melainkan memeriksa identitas tersebut puluhan juta kali sambil pada dasarnya tidak membuat kesalahan. Bahwa adalah hal yang sulit, tetapi sifat DNA adalah jika Anda hanya mendapatkan 95% dari urutan yang benar, Anda mungkin juga tidak memiliki apa-apa sama sekali. Jadi bagaimana para ilmuwan sebenarnya membaca cetak biru biologi, dan bersama mereka membangun sebagian besar pengobatan modern dan bioteknologi?

Semuanya dimulai, kurang lebih, dengan seorang pria bernama Frederick Sanger. Sanger menciptakan metode cerdik untuk membaca molekul DNA, yang melibatkan penggunaan versi khusus dari basis DNA yang disebut dDNA, atau asam di-deoksi-ribonukleat. 'Di' mengacu pada fakta bahwa basa dDNA tidak ada kedua dari gugus -OH yang ditemukan pada basa RNA, sedangkan asam deoksi-ribonukleat (DNA) normal masih memiliki satu. Dalam basa DNA normal, gugus -OH tunggal ini bertindak sebagai titik perlekatan untuk mata rantai berikutnya dalam rantai molekul DNA. Tanpa salah satu basa itu sendiri, basa dDNA tidak dapat membentuk rantai karakteristik DNA, jadi basa tersebut mengakhiri proses pertumbuhan rantai saat digabungkan ke dalam untai DNA yang sedang tumbuh. Sanger menyadari bahwa dia dapat memanfaatkan kecenderungan basis dDNA ini untuk menghentikan proses pemanjangan rantai apa pun untuk melihat urutan rantai itu sendiri.

Kecepatan sekuensing DNA telah meningkat secara eksponensial, tetapi dapatkah tren itu berlanjut?

Kecepatan sekuensing DNA telah meningkat secara eksponensial, tetapi dapatkah tren itu berlanjut?



Mari kita lakukan eksperimen pemikiran cepat: Misalkan saya memiliki molekul DNA 4-basa dengan urutan ATGC, meskipun saya tidak tahu urutan itu dan saya ingin. Saya tahu bahwa DNA dapat dibuat untuk mereplikasi dirinya sendiri dengan cukup mudah; panaskan saja ke titik di mana heliks ganda 'meleleh' menjadi dua untai terpisah di hadapan enzim yang mengikat basa DNA yang mengambang bebas ke atasnya, dan Anda akhirnya akan berakhir dengan dua heliks ganda terpisah di mana Anda awalnya memilikinya. Tetapi bagaimana jika basa yang mengambang bebas yang diikat ke untai tunggal ini adalah campuran basa DNA biasa dan basa dDNA 'terminal'?

Nah, dalam hal ini kami akan mendapatkan produk campuran, tergantung di mana dalam rantai yang berkembang pangkalan dDNA terminal berlabel fluoresen kami akhirnya dimasukkan. Untuk molekul ATGC kita, beberapa untai yang direplikasi akan memiliki panjang penuh dan tidak berlabel - tidak ada basa dDNA yang masuk sama sekali. Tapi kita juga akan berakhir dengan beberapa untai satu basa yang diakhiri dengan dDNA basa C - hanya sepasang basa A-C tunggal. Lebih membantu, kita juga akan mendapatkan campuran untai dua basa yang diakhiri dengan G berlabel, untai tiga basa diakhiri dengan T berlabel, dan untai empat basa diakhiri dengan label A. Ini memberi kita urutan pembacaan CGTA , yang berarti urutan pelengkap asli adalah ATGC.

Namun, bahkan mengotomatiskan proses ini tetap terlalu lambat untuk memungkinkan jenis meta-analisis skala populasi yang dibutuhkan pengobatan modern dan genomik. Di situlah apa yang disebut 'pengurutan paralel besar-besaran', kadang-kadang dalam bahasa sehari-hari disebut sebagai pengurutan senapan. Ini pada dasarnya mengacu pada gagasan bahwa jika Anda memecah urutan panjang DNA menjadi fragmen yang lebih kecil, Anda dapat membaca semuanya secara bersamaan. Anda harus membaca banyak sekali salinan dari keseluruhan sampel Anda, karena Anda harus mengambil data yang terfragmentasi itu dan menjalankan algoritme seperti teka-teki untuk mencari tahu bagaimana mereka bergabung.

Pengurutan selexa, disederhanakan.

Pengurutan selexa, disederhanakan.

Metode shotgun yang paling populer mungkin adalah Solexa, yang membuat DNA terpecah dan melekat pada pelat kaca. Proses ini menggunakan basis terminal yang dapat dibalik - basis yang akan menghentikan proses pertumbuhan rantai untuk sementara, hingga ilmuwan memilih untuk membebaskan mereka dan mengizinkan tautan berikutnya ditambahkan. Siklus add-read-unblock yang ketat memungkinkan para ilmuwan mengambil snapshot dari jutaan fragmen, membaca basis di akhir setiap fragmen sebelum mengizinkan penambahan basis terminal sementara lainnya dan mengambil snapshot baru.

Pengurutan paralel secara besar-besaran mengubah permainan bagi para peneliti genomik, tetapi bahkan langkah setelah teknik inilah yang dapat merevolusi kesehatan masyarakat dengan menjadikan kecepatan pengurutan yang sangat besar jauh lebih terjangkau dan praktis. Ada beberapa tawaran bersaing untuk melakukan ini, tetapi mereka semua berusaha untuk menghilangkan proses replikasi DNA sama sekali - yang disebut pembacaan 'langsung' dari molekul DNA tanpa perlu reaksi DNA yang berantakan, menuntut, dan memakan waktu dengan enzim.

Pengurut DNA stik USB MinION

Pengurut DNA generasi berikutnya lebih dari sekadar cepat - mereka praktis.

Yang paling sukses dari teknologi awal ini adalah pengurutan pori nano. Metode ini sebenarnya memberi makan untai DNA melalui pori di bahan konduktif. Saat basa bergerak melalui pori-pori ini, ukurannya yang sedikit berbeda meregangkan pori-pori dengan jumlah yang khas - dan perubahan tekanan mekanis pada pori-pori diterjemahkan menjadi perubahan dalam konduktivitas listrik. Dengan membaca perubahan konduktivitas saat untaian DNA diumpankan melalui nanopori, sekuenser ini dapat menghilangkan reaksi replikasi yang lama.

Itu akan menjadi penting, karena semakin banyak teknologi DNA ditemukan yang dapat membantu pekerja di lingkungan yang tidak ramah, atau hanya jutaan dokter keluarga di seluruh dunia yang tidak mampu menjalankan eksperimen Solexa setiap hari. Meningkatkan teknologi pengurutan akan membuka beberapa pintu penelitian baru, tetapi untuk laboratorium yang didanai dengan baik, batas pengurutan sudah sangat tinggi. Pada titik ini, impor teknologi pengurutan yang lebih baru dan lebih baik berada dalam kemampuan untuk mendemokratisasi cabang ilmu fisika yang mungkin paling muncul saat ini. Mengurutkan terobosan dapat memungkinkan wawasan ilmiah baru, tetapi kemungkinan besar terobosan tersebut akan memungkinkan penerapan wawasan dunia nyata yang telah kita miliki untuk sementara waktu.

Semua artikel yang Anda baca tentang potensi obat yang dipersonalisasi? Terobosan pengurutan semacam ini perlu dilanjutkan, untuk mewujudkannya. Tetapi tidak seperti graphene dan superkonduktor dunia, teknologi sequencing hampir tidak dapat disangkal akan sampai di sana, dan tidak perlahan. Jadi, pertanyaannya sekarang bukan, 'Bagaimana kita mengurutkan lebih banyak DNA?' melainkan, 'Apa yang dapat kita lakukan dengan urutan itu, setelah kita meletakkannya di tangan sebanyak mungkin?'

Lihat seri 2007es.com Explains kami untuk liputan yang lebih mendalam tentang topik teknologi terpanas saat ini.

Copyright © Seluruh Hak Cipta | 2007es.com