ננו-צינורות פחמן יאפשרו הרצפת גנים מהירה

להרצפת ד.נ.א. מהירה יש פוטנציאל עצום בתחומי הביולוגיה והרפואה, בייחוד עבור אבחון אישי וטיפול מותאם אישית המבוססים על הרכב הגנום הפרטני של כל אחד ואחד מאיתנו.

להרצפת ד.נ.א. מהירה יש פוטנציאל עצום בתחומי הביולוגיה והרפואה, בייחוד עבור אבחון אישי וטיפול מותאם אישית המבוססים על הרכב הגנום הפרטני של כל אחד ואחד מאיתנו. כיום, לעומת זאת, שיטת ההרצפה עדיין מסורבלת ויקרה עבור רוב היישומים הקליניים, למרות שמצב זה עשוי להשתנות תודות למגוון שיטות חדשניות והמצאתיות.

בגיליון הנוכחי של כתב-העת Science, Stuart Lindsay, מנהל המרכז לביופיסיקה באוניברסיטת Arizona State, יחד עם עמיתיו, הדגימו את הפוטנציאל של אחת מהשיטות להַרְצָפַת גֵּנִים בה סליל יחיד של ד.נ.א. מושחל דרך ננו-צינורית פחמן ומייצר בכך אותות חשמליים המספקים מידע לגביי הבסיסים של הרצף – תהליך הידוע כהַתָּקָה (translocation, הזזה).

ננו-צינורות פחמן הינם מבנים גליליים, רב-תכליתיים, המשמשים בננוטכנולוגיה, באלקטרוניקה, באופטיקה ובתחומים נוספים במדעי החומרים. הם מורכבים מאלוטרופים של פחמן – סידורים שונים של אטומי פחמן, ומפגינים תכונות ייחודיות של חוזק ומוליכות חשמלית.

שיטות רגילות לקריאת הצופן הגנטי, המורכב מארבעה בסיסי נוקליאוטידים (אדנין, תימין, ציטוזין וגואנין: A, T, C, ו- G), מתבססות על גזירת פרודת הד.נ.א. למאות אלפי פיסות, קריאת מקטעים מקוצרים אלו ולבסוף, שחזור הרצף הגנטי המלא באמצעות כוח מחשוב רציני. לפני כעשור פוענח בהצלחה הגנום האנושי המלא הראשון – רצף של כשלושה מיליארדי זוגות בסיסים כימיים – לאחר מאמץ עילאי. המשימה נמשכה כאחת-עשרה שנים ועלותה הייתה כמיליארד דולר. מעבר למורכבותן של השיטות הקיימות, מתקבלת פגיעה בדיוק ההרצפה בשל טעויות מצטברות כתוצאה ממספר המקטעים הרב שיש לקרוא.

גישה חדשה משתמשת בננו-נקבוביות – חרירים בקוטר מולקולארי המחברים שני מאגרי נוזלים. ניתן להפעיל שטף חשמלי קבוע בין שתי אלקטרודות הממוקמות בכל אחד מהקצוות של הננו-נקבובית תוך קבלת זרם יוני העובר בתעלה סגורה בתוככי הננו-נקבובית. בקנה-מידה מולקולארי זה, מעבר חומרים, אפילו של פרודה אחת, מחולל שינוי מדיד בזרימתו של השטף החשמלי בתוככי הנקבובית. שינוי זרם זה מוגבר לאחר-מכן וניתן למדידה. רק ממש לאחרונה שיטות מתקדמות למיקרו-ייצור אפשרו לחוקרים לבנות ננו-נקבוביות בקנה-מידה של פרודות יחידות, תוך סלילת הדרך לשלל אפשרויות עבור הבחינה והמחקר של פרודות פרטניות.

במחקר הנוכחי, ננו-צינורות פחמן חד-דופנות, שקוטרם כננומטר אחד עד שניים שימשו ליצירת התעלות מוליכות החשמל. כאשר הופעל מתח חשמלי בתעלה, מקטעים של ד.נ.א. חד-סלילי (המכונים גם אוליגומרים, oligomeres) המורכבים משישים או מאה ועשרים נוקליאוטידים נמשכו לפתחה ונעו מהצד האנודי שלה לצידה הקתודי, וזאת בשל המטען החשמלי השלילי הקיים על פרודת הד.נ.א. מהירות תנועת הד.נ.א. תלויה הן במבנה הנוקליאוטיד והן במשקל המולקולארי של דגימת הד.נ.א.

ננו-צינורות הפחמן "צמחו" במכוון מתוך שכבת צורן מחומצנת. הממצאים הראו כי עבור ננו-הצינורות שנוצרו בהצלחה – אלו הפתוחים בשני קצותיהם ונעדרי דליפה לכל אורכם – נמדד שינוי חד בפעילותם החשמלית במהלך תנועתו של הד.נ.א. נוסף על כך, החלפת הקיטוב של האלקטרודות גרמה להיעלמותם של השינויים במתח; החזרת הקיטוב המקורי גרמה לחזרתם של שינויי המתח.

החוקר מדגיש כי אותות החשמל הזמניים הנמדדים, שכל אחד מהם מכיל כעשרה מיליון חלקיקים טעונים, מייצג הגברה עצומה של המטען הנע בתעלת הנקבובית. שיטה ידועה של PCR כמותי שימשה בכדי לוודא כי ננו-צינורות הפחמן האחראיים לשינויי המתח– כעשרים אחוזים מתכולת הדגימה – הם אכן אלו שבתוכם התרחשה תנועת הד.נ.א.

הצוות ערך הדמיות מולקולאריות בכדי לקבוע מהו המנגנון האחראי לקבלתם של זרמים יוניים גדולים אלו בננו-הצינורות. בחינת עקומות מתח-זרם שהתקבלו ברמות מוליכות משתנות הראתה כי תנועת צורון טעון בתוככי הצינורות הינה מאוד יוצאת-דופן, ויידרשו מחקרים נוספים לשם הבנת המנגנון המדויק שלה. אף על פי-כן, האות החשמלי האופייני לתנועת ד.נ.א. בתוככי צינורות בעלי מוליכות יונית גבוהה יוכל לספק התקדמות נוספת במאמץ ליישום טכנולוגיות של ננו-נקבוביות עבור הרצפת ד.נ.א. מהירה.

הצלחת הרצפה מהירה באמצעות ננו-נקבוביות תלויה בשליטה מדויקת בתנועת הד.נ.א. התקווה היא כי קריאת הגנום תוכל להיות מואצת במידה רבה, ועדיין תוכל לספק די זמן בכדי שבסיסי הד.נ.א. יזוהו באמצעות אותות חשמליים. ננו-צינורות פחמן מספקים חלופה אפשרית בהפכם את השליטה במאפייני הננו-נקבובית לקלה ואמינה יותר.

אם ניתן יהיה לשכלל את התהליך, מדגיש החוקר הראשי, תתאפשר הרצפת ד.נ.א. שתהיה מהירה יותר פי אלפים מאשר המהירות הקיימת בשיטות נוכחיות, בעלות זעומה. השיטה תוכל לקדם משמעותית את היעד של רפואה אישית המתבססת על "מטופל-יחיד-גנום-יחיד" ולסייע באספקת מידע אבחנתי חיוני, וכן לסייע בפיתוח חלוצי של טיפולים אישיים כנגד מגוון רחב של מחלות.

הידיעה מהאוניברסיטה