در بسیاری از بیماریهای ژنتیکی، شدت علائم به تعداد تکرارهای خاصی در DNA بستگی دارد؛ هرچه این تعداد بیشتر باشد، بیماری میتواند شدیدتر بروز پیدا کند. در بعضی موارد هم این تکرارها بهمرور در نسلهای بعدی افزایش پیدا میکنند و باعث میشوند بیماری با شدت بیشتری ظاهر شود. به همین دلیل، اندازهگیری دقیق این نواحی نقش مهمی در تشخیص بیماری، پیشبینی روند آن و حتی مشاورههای ژنتیکی دارد.
اما در عمل، بررسی این بخشهای تکراری از ژنوم همیشه ساده نیست. روشهای رایج، در خواندن دقیق طول و ساختار این نواحی تکراری با محدودیتهایی روبهرو هستند و گاهی نمیتوانند تصویر کاملی از وضعیت واقعی آنها ارائه دهند. در نتیجه، ممکن است بخشی از اطلاعات مهم مرتبط با این بیماریها در تحلیلهای معمول از دست برود.
پیشتر در مقالهای که گزارش آن با عنوان «اوریگامی ژنتیکی، روشی جدید برای تشخیص بیماریها» در آناتک منتشر شدهاست؛ به این موضوع پرداخته شده که چرا این نوع محدودیتها میتوانند در درک بهتر بیماریهای ژنتیکی تأثیرگذار باشند. همین چالشها باعث شده است پژوهشگران به دنبال روشهای جدیدی باشند که بتوانند این نواحی را دقیقتر و مستقیمتر بررسی کنند؛ روشهایی که کمتر به مراحل پیچیده آزمایشگاهی وابسته باشند و تصویر روشنتری از وضعیت ژنتیکی سلول ارائه دهند.
در این روش که «اوریگامی آرانای» (RNA Origami) نام گرفته، دانشمندان با الهام از هنر تا کردن کاغذ، مولکولهای RNA را به شکلهایی قابل تحلیل درمیآورند. این ساختارها سپس از میان «نانوحفرهها» (Nanopores) عبور داده میشوند؛ سوراخهایی در ابعاد بسیار کوچک که عبور هر مولکول از آنها، سیگنالهای الکتریکی خاصی تولید میکند. این سیگنالها مانند یک زبان رمزگذاریشده عمل میکنند و اطلاعاتی دقیق درباره ساختار RNA و میزان اختلالات ژنتیکی در اختیار پژوهشگران قرار میدهند.
برای بررسی بیشتر این موضوع و فهم چگونگی «اوریگامی زیستی»، با «جراردو پاتینو گیلن» (Gerardo Patino Guillen)؛ دانشجوی پسادکتری «دانشگاه کمبریج» (Cambridge University) و پژوهشگر حوزه بیوفیزیک و نانوفناوری، گفتوگو کردهایم.
چه چیزی در ابتدا شما را به کار روی «اختلالات تکرارهای ژنتیکی» (repeat expansion) علاقهمند کرد؟
اختلالات تکرارهای ژنتیکی، بیماریهایی جدی و اغلب تهدیدکننده حیات هستند که حدود یک نفر از هر ۳۰۰۰ نفر را تحت تأثیر قرار میدهند. با این حال، بسیاری از موارد این بیماریها همچنان تشخیص داده نمیشوند. تشخیص این اختلالات به اندازهگیری طول توالیهای تکراری DNA که به آنها «تکرارهای پشتسرهم» (tandem repeats) گفته میشود، وابسته است، اما فناوریهای موجود اغلب در بررسی دقیق این نواحی با مشکل مواجه هستند. در مجموع، این عوامل باعث میشوند این موضوع هم از نظر بالینی یک چالش مهم باشد و هم از نظر فنی مسئلهای پیچیده که نیاز به حل دارد.
ایده استفاده از رویکرد «اوریگامی RNA» چگونه شکل گرفت و چرا این روش را نسبت به سایر روشهای ممکن انتخاب کردید؟
ما این رویکرد را انتخاب کردیم، زیرا به ما امکان میدهد RNA را بهطور مستقیم مطالعه کنیم. بهطور سنتی، بررسی RNA به آنزیمهایی وابسته است که ابتدا RNA را به DNA تبدیل میکنند تا امکان تحلیل آن فراهم شود. با این حال، این آنزیمها اغلب در کپی دقیق تکرارهای پشتسرهم (tandem repeats) با مشکل مواجه میشوند، که این موضوع اندازهگیری آنها را دشوار کرده و میتواند منجر به ایجاد سوگیری و خطا در تفسیر نتایج شود.
روش ما بهطور کامل نیاز به استفاده از آنزیمها را حذف میکند. در عوض، ما ساختارهای مولکولی کوچکی را به نواحی مشخصی از RNA متصل میکنیم. زمانی که RNA از حسگرهای بسیار کوچکی به نام نانوپور عبور میکند، این ساختارها الگوهای جریان الکتریکی متمایزی، یا بهعبارت دیگر «اثر انگشت»، تولید میکنند که هویت توالی مولکول را آشکار میسازد. این امر امکان بررسی مستقیمتر تکرارهای پشتسرهم را فراهم میکند.
غیرمنتظرهترین یا دشوارترین چالش فنی که در مسیر توسعه این روش با آن مواجه شدید چه بود؟
یکی از چالشهای اصلی این رویکرد، طراحی این ساختارهای مولکولی بهگونهای است که در عین ثبت بیشترین میزان اطلاعات توالی، همچنان با تحلیل نانوپور سازگار باقی بمانند. حل این مسئله نیازمند استفاده میانرشتهای از زیستشناسی مولکولی، شیمی اسیدهای نوکلئیک، فیزیک پلیمرها و الکتروفورز است.
کدام جنبههای زیستشناسی RNAهای دارای تکرارهای گسترشیافته هنوز بهخوبی توسط روشهای آزمایشی موجود قابل بررسی نیستند؟
تغییرپذیری در طول تکرارها و ساختار توالی آنها همچنان یکی از چالشهای اصلی در مطالعه زیستشناسی RNAهای دارای تکرارهای گسترشیافته به شمار میرود. روشهای فعلی محدودیتهای قابلتوجهی در توصیف این پیچیدگی دارند، بهویژه زمانی که صحبت از شناسایی وقفههای توالی در میان این تکرارها باشد. این وقفهها میتوانند تأثیر عمیقی بر شروع و پیشرفت بیماری داشته باشند، اما اغلب شناسایی دقیق آنها دشوار است.
علاوه بر این، بسیاری از پرسشهای بنیادی درباره رفتار زیستی، فیزیکی و شیمیایی RNAهای دارای تکرار همچنان بیپاسخ ماندهاند؛ از جمله توانایی آنها در جدایش فازی، نحوه تعاملشان با پروتئینها، و رفتارشان در طول فرآیند رونویسی.
فراتر از افزایش دقت، نوآوری اصلی روش شما در مقایسه با روشهای مبتنی بر PCR و توالییابی چیست؟
روش ما امکان بررسی تکرارهای پشتسرهم را بهطور مستقیم در سطح RNA فراهم میکند، بدون نیاز به پردازش آنزیمی. همچنین این یک تکنیک تکمولکولی است، به این معنا که ما هر بار مولکولها را بهصورت جداگانه بررسی میکنیم. این ویژگی اطلاعات دقیقی درباره ناهمگنی موجود در یک نمونه ارائه میدهد؛ اطلاعاتی که معمولاً در روشهای اندازهگیری تودهای از بین میروند.
در حسگری نانوپور، مهمترین محدودیتهایی که هنوز با آنها مواجه هستید چیست؟ مانند نویز سیگنال، وضوح یا توان عملیاتی؟
در این پژوهش، هر اندازهگیری با استفاده از یک نانوپور منفرد انجام شد که این موضوع توان عملیاتی ما را محدود میکند. در مقابل، سایر فناوریها معمولاً از هزاران حسگر بهطور همزمان استفاده میکنند. بنابراین، اگرچه روش فعلی ما توان عملیاتی پایینتری دارد، اما ما بهطور فعال در حال توسعه راهکارهایی برای مقیاسپذیری سیستم از طریق یکپارچهسازی چندین نانوپور و بخشبندی سامانه هستیم. در حال حاضر، زمان خوانش هر مولکول در حد میکروثانیه است، بنابراین با افزایش تعداد نانوپورها میتوان در عرض چند دقیقه مجموعه دادههای بزرگی بهدست آورد.
چرا توانایی کار با مقادیر بسیار کم RNA برای کاربردهای واقعی در محیطهای بالینی اهمیت دارد؟
RNA مرتبط با بیماریها اغلب در غلظتهای بسیار پایین حضور دارد، بنابراین داشتن حد تشخیص پایین بسیار ضروری است. علاوه بر این، از نظر عملی، افزایش حساسیت به ما اجازه میدهد با مقدار کمتری RNA کار کنیم، که این موضوع به نوبه خود میزان مواد مصرفی مورد نیاز برای انجام تحلیل را کاهش میدهد.
اگر این فناوری به یک ابزار تشخیصی بالینی تبدیل شود، به نظر شما بزرگترین مانع زیستی یا مهندسی در این مسیر چیست؟
ما در حال حاضر در حال کار بر روی افزایش توان عملیاتی از طریق موازیسازی چندین نانوپور هستیم، که به اعتقاد ما امکان استفاده گستردهتر از این فناوری و در نهایت بهکارگیری آن در آزمایشهای سریع و روتین RNA را فراهم خواهد کرد. گام مهم بعدی، اعتبارسنجی این فناوری با استفاده از نمونههای بیماران مبتلا به اختلالات تکرارهای گسترشیافته است، تا کاربردپذیری آن در این زمینه بهتر ارزیابی شود.
آیا این پلتفرم «اوریگامی RNA و نانوپور» میتواند فراتر از اختلالات تکرار ژنتیکی، مثلاً در سایر بیماریهای مرتبط با RNA نیز کاربرد داشته باشد؟
بله، ما این رویکرد را برای طیفی از اهداف زیستی و مرتبط با بیماریهای دیگر نیز به کار بردهایم؛ از جمله RNAهای باکتریایی، RNA مربوط به گونههای مختلف ویروسها، RNAهای سنتزشده در شرایط آزمایشگاهی (in vitro)، و همچنین داروهای مبتنی بر اسیدهای نوکلئیک.
انتهای پیام/