دانشمندان دانشگاه ویرجینیا به توسعه‌ی یک روش جدید پردازش تصویر پرداخته‌اند که به کمک آن می‌توان با دقت و سرعت بالایی به کشف و تشخیص جهش‌های ژنتیکی بیماری‌زا پرداخت.

تیمی از دانشمندان با سرپرستی فیزیک‌دان دانشگاه مشترک‌المنافع ویرجینیا، جیسون رید، به توسعه‌ی یک فناوری جدید نگاشت تصویر نانو پرداخته‌ که قادر به تشخیص و کشف جهش‌های ژنتیکی بیماری‌زا است. طبق مقاله‌ی مجله‌ی Nature Communications، این روش برجسته از میکروسکوپ پرسرعت نیروی اتمی (AFM) همراه با یک روش بارکدگذاری شیمیایی مبتنی بر کریسپر برای نگاشت DNA با دقتی برابر با توالی‌یابی DNA استفاده می‌کند و به پردازش سریع بخش‌های بزرگی از ژنوم می‌پردازد.

پروفسور جیسون رید، عضو برنامه‌ی تحقیقاتی ژنتیک مولکولی سرطان در مرکز سرطان ماسی VCU و استادیار بخش فیزیک دانشگاه علوم VCU

ژنوم انسانی از میلیاردها زوج مبنای DNA ساخته شده است. طول این ژنوم به‌صورت بازشده، تقریبا به دو متر هم می‌رسد. وقتی سلول‌ها تقسیم شوند، باید یک کپی از DNA خود را برای سلول جدید بسازند. با این حال، گاهی اوقات بخش‌های مختلف DNA به‌صورت نادرست کپی می‌شوند یا در موقعیت نادرست قرار می‌گیرند و منجر به جهش‌های ژنتیکی و بیماری‌هایی مثل سرطان می‌شوند. توالی‌یابی DNA بسیار دقیق است؛ به‌طوری که می‌تواند زوج‌های مبنای مستقل DNA را تحلیل کند. اما برای تحلیل بخش‌های بزرگ‌تری از ژنوم و یافتن جهش‌های ژنتیکی، تکنیسین‌ها باید میلیون‌ها توالی کوچک را تعریف کنند و آن‌ها را با نرم‌افزار کامپیوتری کنار هم قرار دهند. در مقابل، روش‌های پردازش تصویر پزشکی مثل پیوند طبیعی فلورسنس (FISH) تنها می‌توانند DNA را با وضوح صدها زوج مبنا تحلیل کنند.

به دلیل ماهیت پروتئینی آنزیم کریسپر و اندازه‌ی بزرگ‌تر آن نسبت به مولکول DNA، این آنزیم برای کاربردهای بارکدگذاری بی‌نقص است

روش AFM سریع جیسون رید می‌تواند DNA با با وضوع ده‌ها زوج مبنا تصویر کند و در عین حال تصویر‌های به اندازه‌ی یک میلیون زوج مبنا خلق کند. و این کار را با بخشی از نمونه‌های لازم برای توالی‌یابی DNA انجام می‌دهد.

جیسون رید، محقق ارشد این مطالعه می‌گوید:

توالی‌یابی DNA یک ابزار قدرتمند اما پرهزینه است و محدودیت‌های عملکردی و فناوری متعددی دارد که نگاشت بهینه و دقیق بخش‌های بزرگ ژنوم را دشوار می‌سازد. روش ما پلی بین توالی‌یابی DNA و روش‌های نگاشت فیزیکی دیگر ایجاد می‌کند که فاقد وضوح و دقت کافی هستند. می‌توان از این روش به‌عنوان یک متد مستقل استفاده کرد؛ یا اینکه می‌تواند با کاهش پیچیدگی و خطا هنگام کنار هم قرار دادن بیت‌ها ژنوم در طول فرآیند توالی‌یابی، مکملی برای روش توالی‌یابی DNA باشد.

دانشمندان IBM با توسعه‌ی فناوری AFM در سال ۱۹۸۹ به تیتر اخبار تبدیل شدند و از یک روش مرتبط برای بازآرایی مولکول‌ها در سطح اتمی استفاده کردند تا بتوانند حروف IBM را به‌صورت آزمایشی بنویسند. AFM با استفاده از سوزن‌های میکروسکوپی به این سطح از جزئیات دست می‌یابد و به‌صورت مستقیم با مواد مورد بررسی تماس برقرار می‌کند؛ این سوزن مشابه نمونه‌ی موجود در یک دستگاه گرامافون است. ارتباط بین سوزن و مولکو‌ل‌ها، تصویر را ایجاد می‌کند. با این حال، AFM سنتی برای کاربرد‌های پزشکی بسیار کند است و در اصل توسط مهندسان علوم مواد به کار برده می‌شود. رید می‌گوید:

عملکرد دستگاه ما هم مشابه AFM است؛ اما نمونه را با سرعت اولیه‌ی بیشتری از سوزن می‌گذرانیم و از واسطه‌های لیزری برای کشف ارتباط بین سوزن و مولکول‌ها استفاده می‌کنیم. همچنین می‌توانیم به دقتی مشابه AFM سنتی برسیم اما سرعت پردازش هزار مرتبه بیشتر است. AFM پرسرعت برای بعضی کاربردهای پزشکی مناسب است؛ زیرا می‌تواند مواد را به‌سرعت پردازش کند و دقت آن صدها مرتبه بیشتر از روش‌های پردازش تصویر قابل مقایسه است.

تیم رید، ثابت کردند که این فناوری با استفاده از تجهیزات نوری موجود در DVD پلیرها هم قابل اجرا است. افزایش سرعت AFM تنها یکی از موانعی است که رید و همکاران او باید بر آن غلبه کنند. برای شناسایی دقیق جهش‌های ژنتیکی در DNA آن‌ها باید به توسعه‌ی روشی برای قرار دادن شاخص‌ها یا برچسب‌ها روی سطح مولکول‌های DNA بپردازند تا بتوانند الگوها و بی‌نظمی‌ها را تشخیص دهند. راه‌ حل دیگر بارکدگذاری شیمیایی هوشمند، استفاده از فناوری کریسپر توسعه‌یافته است.

کریسپر اخیرا اخبار زیادی را در رابطه با ویرایش ژنتیکی به خود اختصاص داده است. کریسپر یک آنزیم است که دانشمندان می‌توانند با استفاده از RNA مورد نظر برای برش DNA در موقعیت‌های دقیق، آن را برنامه‌ریزی کنند تا سلول بتواند خود به بازسازی این موقعیت‌ها بپردازد. تیم رید شرایط واکنش شیمیایی آنزیم کریسپر را به گونه‌ای تغییر دادند که به DNA بچسبد و آن را نبُرد. به‌گفته‌ی رید:

به‌دلیل ماهیت پروتئینی آنزیم کریسپر و اندازه‌ی بزرگ‌تر آن نسبت به مولکول DNA، این آنزیم برای کاربردهای بارکدگذاری بی‌نقص است. این روش در اتصال به مولکول‌های DNA ، بازدهی ۹۰ درصد داشت و این ما را شگفت‌زده کرده است. و به این دلیل که دیدن پروتئین‌های کریسپر آسان است می‌توانید جهش‌های ژنتیکی را میان الگوهای DNA تشخیص دهید.

محققان برای نمایش تأثیر این روش، به نگاشت جابه‌جایی‌های ژنتیکی در بافت‌های زنده‌ی گره‌ی لنفی بیماران لنفاوی پرداختند. جابه‌جایی‌ها وقتی رخ می‌دهند که یک بخش از DNA در یک موقعیت اشتباه در ژنوم کپی شود. این جابه‌جایی‌ها معمولا در سرطان خون مثل سرطان لنفاوی رایج هستند؛ اما در انواع دیگر سرطان هم رخ می‌دهند.

با این که کاربردهای بالقوه‌ای برای این فناوری وجود دارد، رید و تیم او در حال حاضر بر کاربردهای پزشکی آن متمرکز هستند. آن‌ها بر اساس الگوریتم‌های موجود در حال توسعه‌ی نرم‌افزاری هستند که بتواند الگوهای بخش‌های DNA را تا اندازه‌ی یک میلیون زوج مبنا تحلیل کنند. این واسطه در آسیب‌شناسی می‌تواند به تشخیص و درمان بیماری‌های مرتبط با جهش‌های ژنتیکی کمک کند.