Быстрое генетическое тестирование
Исследователи университета Калифорнии в Беркли, работающие под руководством доцента Кианы Аран (Kiana Aran), скомбинировали технологию для редактирования генома CRISPR с графеновыми электронными транзисторами для создания нового портативного устройства, позволяющего в течение нескольких минут выявлять специфические генетические мутации. Новое устройство, получившее название CRISPR-чип (CRISPR-Chip) можно использовать для быстрой диагностики генетических заболеваний, а также для оценки точности методов редактирования генов.
На сегодняшний день врачи и генетики могут использовать секвенирование ДНК для выявления генетических мутаций, обуславливающих различные признаки и состояния, а коммерческие компании, такие как 23andMe, делают подобные тесты доступными для любопытных потребителей.
Однако, в отличие от большинства методов генетического тестирования, в том числе разработанных недавно диагностических методов на основе технологии CRISPR, CRISPR-чип использует наноэлектронику для выявления мутаций в образцах ДНК без предварительной амплификации – копирования интересующего сегмента ДНК несколько миллионов раз с помощью продолжительного и требующего сложнейшего оборудования процесса, известного как полимеразная цепная реакция (ПЦР). Это означает, что новый метод позволит проводить генетическое тестирование в кабинет врача или в «полевых условиях», отменяя необходимость доставки образца в лабораторию.
CRISPR-чип использует деактивированный белок CRISPR-Cas9, прикрепленный к транзистору из графена, для выявления специфичных генетических последовательностей в образце ДНК.
Система CRISPR-Cas9 известна благодаря своей способности разрезать цепочки ДНК в точно заданных местах подобно паре острых как бритва ножниц, обеспечивая исследователям беспрецедентные возможности в редактировании генов. Однако для того, чтобы белок Cas9 осуществил заданную ему манипуляцию, ему сначала надо точно определить место разрезания ДНК. Для этого исследователи нагружают его «направляющей РНК» – небольшим фрагментом РНК, нуклеиновые основания которого комплементарны интересующей их последовательности ДНК. Неуклюжий белок сначала раскручивает двухцепочечную молекулу ДНК и сканирует ее до тех пор, пока не найдет последовательность, соответствующую направляющей РНК, после чего прикрепляется к ней.
Чтобы воспользоваться поисковой способностью системы CRISPR, исследователи взяли деактивированный белок Cas9, способный находить специфичный регион ДНК, но не способный разрезать его, и прикрепили его к поверхности графенового транзистора. При связывании со своей мишенью CRISPR-комплекс запускает процесс изменения электрической проводимости графена, что, в свою очередь, изменяет электрические характеристики транзистора. Эти изменения можно регистрировать с помощью специально разработанного портативного устройства.
Графен, изготавливаемый из одноатомного слоя углерода, обладает настолько высокой чувствительностью к изменениям электропроводимости, что позволяет выявлять определенную точку на цепочке ДНК в полногеномном образце, без амплификации ДНК с помощью ПЦР.
Авторы рассчитывают, что в скором будущем им удастся усовершенствовать технологию за счет использования нескольких направляющих РНК для выявления разных мутаций.
Для подтверждения чувствительности CRISPR-чипа исследователи успешно использовали его для выявления в ДНК клеток крови пациентов с миодистрофией Дюшенна двух мутаций, наиболее часто вызывающих это заболевание.
По словам авторов, CRISPR-чип может быть особенно полезен для проведения скрининга на миодистрофию Дюшенна, так как это тяжелое дегенеративное заболевание может вызываться многочисленными мутациями в разных частях гена белка дистрофина, являющегося одним из наиболее длинных во всем геноме человека. Выявление этих мутаций с помощью ПЦР является задачей, требующей больших финансовых и временных затрат. При применении нового цифрового устройства на анализ всего гена будет уходить всего лишь несколько часов.
На сегодняшний день мальчики с этой редкой болезнью (она встречается примерно у одного из 5000) проходят генетическое тестирование только после того, как врачи заподозрят заболевание. Внедрение технологии CRISPR-чип в клиническую практику позволит проводить скрининг родителей или новорожденных на соответствующие мутации, что обеспечит возможность раннего начала терапии.
На каждый отдельный чип можно наносить молекулы белка Cas9, снабженные разными направляющими РНК, что позволит одновременно выявлять различные последовательности ДНК.
Быстрое генетическое тестирование также позволит врачам персонализировать терапевтические протоколы в зависимости от особенностей пациентов. Например, генетические вариации делают некоторых людей невосприимчивыми к действию антикоагулянтов, таких как плавикс. Наличие в геноме определенных мутаций или последовательностей ДНК позволит с очень высокой точностью прогнозировать реакцию организма на соответствующие препараты.
И, наконец, благодаря возможности использования CRISPR-чипа для мониторинга связывания белка CRISPR с определенными последовательностями ДНК, его также можно применять для тестирования эффективности методов редактирования ДНК на основе CRISPR. Например, для верификации правильности дизайна направляющих последовательностей ДНК.
Статья Reza Hajian et al. Detection of unamplified target genes via CRISPR–Cas9 immobilized on a graphene field-effect transistor опубликована в журнале Nature Biomedical Engineering.
Евгения Рябцева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам University of California, Berkeley: New CRISPR-powered device detects genetic mutations in minutes.