ננו-נקבובית לזיהוי נזקים בדנ”א

מדענים ברחבי העולם מתחרים ביניהם מי יצליח לבצע הרצפה יעילה של הדנ”א – החומר הגנטי המרכיב את כולנו – באופן מהיר וזול יותר בעזרת נקבוביות ננומטריות. כעת, מדענים מאוניברסיטת יוטה הצליחו ליישם את הרעיון הזה לשם איתור נזקים בדנ”א העלולים להוביל למוטציות ולמחלות.

“אנו משתמשים בשיטה זו וכן בכימיה אורגנית סינתטית על מנת לאתר את האתרים הפגומים שבדנ”א בזמן שהמולקולה עוברת דרך הננו-נקבובית”, אומר החוקר Henry White, פרופסור לכימיה באוניברסיטת יוטה והכותב הראשי של המאמר. גדילים של מולקולת הדנ”א מורכבים מבסיסים נוקליאוטידים המסומנים באותיות A, T, G ו- C. שרשראות של גדילי דנ”א מהוות את הגנים.

השיטה החדשה מחפשת ומאתרת את המקומות בהם חסר בסיס נוקליאוטידי – אחד מסוגי הפגמים הנפוצים ביותר בגנום האנושי, הכולל 3 מיליארדי בסיסים. סוג זה של פגם גנטי מתרחש בתא טיפוסי כשמונה עשר אלפי פעמים ביום לאור העובדה כי אנו חשופים לגורמי נזק, החל מקרני השמש וכלה בגזים הנפלטים מהמכוניות. רוב הנזק מסוג זה מתוקן ע”י הגוף עצמו, אולם לעיתים הוא מוביל למוטציה בגן שיכולה בסופו של דבר להתבטא במחלה.

באמצעות שילוב השיטה לאיתור נזקי דנ”א בעזרת ננו-נקבוביות ושיטות אחרות לשינוי הדנ”א, החוקרים מקווים כי הטכניקה החדשנית שלהם, שעליה נתבקש פטנט מסחרי, תוכל לשמש לגילוים של סוגי נזקים אחרים מלבד חסר בבסיס. “נזקים לבסיסי הדנ”א תורמים לרוב המחלות הקשורות לגיל, לרבות מלנומה, סרטן הריאות, המעי והשד, מחלת הנטינגטון וטרשת עורקים”, אומרת אחת מהחוקרות.

הרצפת בסיסים היא התהליך שבו קובעים את סדר מיקומם וטיבם של הבסיסים המרכיבים את כל אחד משני הגדילים היוצרים את הסליל הכפול של הדנ”א. זוהי השיטה הבסיסית לפענוח הגנום, או טביעת האצבע הגנטית, של יצורים חיים, ולאיתור מוטציות בגנים הגורמות למחלות.

“לפני עשרים שנה הרצפת הגנום האנושי הראשונה עלתה מיליארד דולר, בעוד שכיום העלות נעה בין 5,000 ל-20,000 דולרים בלבד”, אומרת החוקרת. “מכוני הבריאות הלאומיים של ארה”ב מפעילים מיזם של הרצפת גנום בעלות של 1,000 דולר בלבד, וצפוי כי גם תעריף זה ילך ויקטן.”

הרצפת דנ”א חשובה בתחומים רבים: היא משמשת את המשטרה להפליל או לטהר חשודים פליליים, את חוקרי הביולוגיה להבין כיצד פועל יצור חי ואת החקלאים לשם השבחת הצמחים והיבולים החיוניים לעולם המודרני,” אומרת החוקרת. קבלה מהירה וזולה יותר של הגנום של אדם פרטני סוללת את הדרך הבטוחה לתחום הקרוי “רפואה אישית” – רפואה שבה הטיפולים הרפואיים יתבססו על הרגישות הגנטית של כל חולה וחולה.

הרצפה בעזרת ננו-נקבובית מתבצעת באמצעות העברת גדיל של דנ”א דרך חריר ננומטרי כאשר שני הרכיבים הללו טבולים בתמיסה טעונה חשמלית הקרויה אלקטרוליט. חלק מהתמיסה גם זורם דרך החריר. החוקרים יכולים למדוד רמות משתנות של זרם חשמלי כאשר בסיסים שונים של הדנ”א עוברים דרך החריר וגורמים בכך לחסימה של זרימת התמיסה האלקטרוליטית. שלא כמו המאמצים לקבל הרצפת דנ”א בעזרת ננו-נקבוביות, הכימאים מאוניברסיטת יוטה אינם “קוראים” את רצף בסיסי הדנ”א בזמן שהגדיל נע דרך הנקבובית, אלא שהם מאתרים פגם בבסיס יחיד. “חשוב לדעת כיצד בסיס פגום מוביל למוטציה מאחר וזה השלב הראשון בהתפתחותה של מחלה”, מסבירים החוקרים. “כרגע, אנו מסוגלים לראות את האתר הפגום ולקבוע בערך את מיקומו היחסי במקטע הדנ”א שאנו בוחנים – ברמה של 10-5 בסיסים”. עד עכשיו, מקטע הדנ”א הארוך ביותר שאותו העבירו החוקרים דרך ננו-הנקבובית היה באורך של 100 בסיסים והמדענים הצליחו לאתר אתר פגום יחיד או שניים. “עדיין צריך לבצע מחקר ארוך על מנת למצוא דרכים לשיפור רמה זו,” מסביר החוקר.

הנקבובית המשמשת רבים מהחוקרים בתחום זה ואת הכימאים מאוניברסיטת יוטה קרוי אלפא-המוליזין – חלבון שמקורו בחיידקים. לשם העברת גדיל דנ”א דרך נקבובית זו היא מקובעת לתוך קרומית זכוכית בתחתיתה של צלוחית. תמיסת סבון (המשמשת כדו-שכבה שומנית) מונחת על הקרומית ויוצרת מעטה מעל הנקבובית. לנקבובית זו צורה של פטריה – רחבה יותר בצד העליון, בו הדנ”א נלכד, וצרה יותר בתחתיתה שם הגדיל חייב לעבור דרך מעבר זעיר יותר. גודלו של מעבר זעיר זה הוא 1.4 ננומטרים בלבד, כאשר גודלו של הגדיל עצמו הוא ננומטר אחד בלבד.

מיליארדי הבסיסים המרכיבים את הדנ”א מחוברים לשלד המורכב מיחידת סוכר וזרחן. על מנת לזהות נזק בדנ”א מסוג בסיס חסר, החוקרים מפעילים מתח חשמלי הגורם למעבר זרם דרך התמיסה. אלקטרודה חיובית הנמצאת בתמיסה מחוץ לנקבובית מושכת את הדנ”א דרך הנקבובית בשל יחידות הזרחן בשלד הדנ”א הטעונות שלילית. החוקרים יצרו נזק מכוון בדנ”א של דגימה באמצעות הרחקת מספר בסיסים. במקום בו הבסיסים חסרים, יחידת הסוכר שבשלד הדנ”א הופכת להיות חשופה. החוקרים חיברו ליחידה חשופה זו מולקולה כימית מוגדרת, מלח מסוים. הרעיון היה לגרום לדנ”א זה, שעבר שינוי מוגדר, לחצות באיטיות את ננו-החריר כך שניתן יהיה לאתר את מיקום הבסיסים החסרים. על מנת לייעל את השיטה, החוקרים בחנו מספר תמיסות אלקטרוליטיות והגיעו לתמיסה המיטבית כך שקצב החצייה של הגדיל יהיה מתאים.

הידיעה על המחקר