Человек всё глубже проникает в мир микроскопических объектов. И если в прошлом веке сложно было себе представить, что нейрохирурги смогут сшивать мельчайшие капилляры и даже отдельные нервы, то теперь не проблема почти с той же точностью работать с генетическим материалом человека. Во всяком случае — для японских учёных.
Специалисты из университетов Киото (Kyoto University) и Токио (University of Tokyo) создали микроприспособления для работы с длинными спиралями ДНК и разработали новый способ исследования генетического материала.
Учёные уже достаточно давно обучились методологии определения наследственных заболеваний и прочих генетических патологий (пример: всем известный синдром Дауна). Для этого, в частности, использовался метод флуоресцентной гибридизации in situ (fluorescent in situ hybridization).
Однако долгое время работа с ДНК была затруднена. Запутанные спирали, длина которых (у эукариот) может варьироваться от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров при диаметре всего-то пару нанометров, сворачиваются в кольца и всячески пытаются скрыть свои зашифрованные данные.
Чтобы как-то побороться с этой проблемой, ДНК намеренно фрагментировали с помощью ферментов. Но этот метод был по-своему неудобен в использовании (во многих случаях терялись данные о последовательности и расстоянии между генами).
Попытки работать с нитями ДНК напрямую без фрагментации также не принесли значительного успеха. Этот хрупкий материал так и норовил порваться при любом неосторожном движении.
Однако на рубеже веков учёным всё же удалось растянуть спираль с помощью так называемых оптических щипцов (optical tweezers), иногда называемых «оптической ловушкой» или «лазерным пинцетом».
Об этом самые разные научные группы рассказали вот в этой (PDF-документ, 331 килобайт) и многих других статьях. Впрочем, данный метод подходил лишь для небольших молекул.
Новая разработка Кёхэи Тэрао (Kyohei Terao) из университета Киото и его коллег Масао Васидзу (Masao Washizu) и Хидэхиро Оана (Hidehiro Oana) из университета Токио продвинула прогресс на шаг вперёд. Взглянув на эту изящную идею, вновь хочется выкрикнуть: «Всё гениальное — просто».
Генетики с помощью лазеров смогли подцепить спираль хромосомной ДНК Schizosaccharomyces pombe (делящихся дрожжей) на микрокрючок, не повреждая растянуть её, а затем намотать на две микробобины, как на катушку для ниток.
О создании своеобразной швейной машинки для ДНК биологи отчитались в статье, которую в открытом доступе опубликовал журнал Lab on a Chip.
«Когда молекула ДНК растянута, определить положение нужного гена (в трёхмерном пространстве) гораздо проще», — отмечает Тэрао в пресс-релизе Королевского химического общества (RSC).
Кстати, считывание информации со спирали ДНК в данном случае можно также сравнить с рассматриванием кадров на видеомагнитофонной ленте или фотоплёнке.
Но расскажем о разработанной технологии подробнее.
Создав электоосмотический поток (EOF), химики растянули нити хромосомных ДНК. Их у Schizosaccharomyces pombe — три, каждая в длину не превышает двух миллиметров.
Все передвижения микроприспособлений и нити контролировали с помощью высокочувствительной видеокамеры и флуоресцентной краски.
Далее оптическими щипцами (иттербиевый лазер, длина волны 1066 нанометров) учёные «подхватили» специально созданный для этих целей микрокрючок в форме латинской буквы Z. Затем им подцепили исследуемую спираль. Концы крючка имеют стреловидную форму, за счёт чего нить ДНК не может «сорваться».
Таким образом, учёные смогли двигать нить в любую сторону. Здесь вы можете посмотреть видео (файл MOV, 1,07 мегабайта), демонстрирующее работу этого микроустройства.
Далее спираль ДНК намотали на микробобины, вращая с помощью лазерных лучей одну катушку вокруг другой (намотка и разматывание, файлы MOV, 1,42 и 9,28 мегабайта).
Теперь ДНК можно перемещать куда угодно вместе с бобинами.
Ранее проведённые исследования показали, что разрыв цепочки происходит при воздействии на неё силы в диапазоне 100-300 пиконьютонов. Как рассказывают сами учёные, в их работе прилагаемая сила не превышала 25 пиконьютонов.
Отметим, достижение японцев состояло ещё и в том, что сложные несимметричные фигуры (крючок и бобины) держать в лазерном луче сложнее, чем сферические бусины, использовавшиеся ранее.
«Мы продемонстрировали метод и устройства, которые позволяют манипулировать одной молекулой ДНК длиною даже в несколько миллионов пар оснований, не используя при этом фрагментацию. Метод полностью механический и не требует проведения каких-либо химических модификаций исследуемой спирали ДНК», — подводят итог учёные.
Как и любая другая технологическая разработка, эта пройдёт испытание временем. Выйдет ли победителем – увидим через пару десятков лет. А пока, чтобы не было скучно, будем мечтать о конструировании атомов.