Cep boyutunda bir dizileyici ile DNA’nın kodunu çözme Understand article

Akıllı telefonunuzdan daha küçük USB ile çalışan dizileyiciler, hastanelerde, uzak yerlerde ve hatta uzayda DNA'yı çözme yöntemimizde devrim yaratabilir.

20. yüzyılın en büyük teknolojik gelişmeleri nelerdi? Bilgisayarlar akla gelen ilk şey olabilir: askeri ve ticari kullanıma yönelik ilk bilgisayarlar, 1980’lerde daha küçük, uygun fiyatlı tüketici ürünlerine dönüştürülmeden önce koca bir odayı kaplıyordu. Bilgi işlem gücü o kadar ilerledi ki, bugün kullandığımız akıllı telefonlar, on yıllar önce en güçlü bilgisayarların bile başaramadığı görevleri yerine getirebiliyor. Şimdi, başka bir teknoloji benzer şekilde devrim yaratmaktadır: DNA dizileyici.

DNA, nesiller arasında aktarılan genetik bilgiyi depolar. Bilgisayarların bilgiyi bir dizi “sıfır” ve “bir” olarak depolamasına benzer şekilde, DNA’daki bilgiler dört bazdan oluşan bir kod olarak depolanır: A, T, C ve G (adenin, timin, sitozin ve guanin).

2003 yılında, ilk kez tam bir genetik bilgi seti olan insan genomu dizilendi. Dev projeyi tamamlamak yedi yıl, 150 bilim insanı ve 3 milyar ABD dolara (2.5 milyar Euro)mal oldu. Bugün aynı görev, yaklaşık 1000 dolar (850 Euro) karşılığında bir günden biraz fazla bir sürede gerçekleştirilebilir. Dahası, DNA’nın kodunu çözmenin büyük ölçekli bir laboratuvarda gerçekleşmesi gerekmez: cebinize sığan taşınabilir bir dizileyici ile yapılabilir. Maliyet ve boyuttaki bu kayda değer azalma, nanopor dizilimi adı verilen yeni bir teknik sayesinde gerçekleşti.

Nanopor dizileme nasıl çalışır?

Taşınabilir DNA dizileyicileri 2015’ten beri piyasada. Dizileme süreci basittir ve daha önceki DNA dizileme yöntemlerinden farklı olarak, bilim adamlarının DNA’nın milyonlarca ekstra kopyasını çıkarmasına veya DNA’yı floresan veya radyoaktif etiketlerle etiketlemesine gerek yoktur. İlk olarak, DNA (örneğin bir çubuktan veya kan örneğinden) ekstrakte edilir ve dizilemeye hazırlamak için iyonik bir çözelti ile karıştırılır. Bu DNA sıvısı daha sonra doğrudan standart bir USB kablosuyla bir dizüstü bilgisayara takılan nanopor dizleyicisine pipetlenir (şekil 1).

Nanopor dizileyicinin içinde bir enzim, DNA çift sarmalını çözer ve zincirlerden birini bir zara yerleştirilmiş bir protein molekülünün merkezindeki mikroskobik bir kanal olan nano gözenekten (yani nanopordan) geçirir. Nano gözenek boyunca bir voltaj uygulanır, bu da çözeltideki iyonların gözenek boyunca hareket etmesine ve iyonik bir akım oluşturmasına neden olur. Kanal, DNA zincirinin geçmesi için uygun boyuttadır. Dört DNA bazının her birinin boyutu farklı olduğundan, içinden geçerken nanoporun farklı bir oranını bloke eder. Bu, iyonların nano gözenekten geçmesi için az ya da çok boşluk olduğu ve bu nedenle boşluktan az çok akım akabileceği anlamına gelir (şekil 2). İyonik akım ölçülür ve veriler bilgisayara aktarılır ve ölçümleri gerçek zamanlı olarak DNA dizisine (A, T, C ve G harflerini içeren bir metin dosyasına) dönüştüren bir yazılımla analiz edilir.

Ne kadar DNA dizisi verisi oluşturmak istediğinize bağlı olarak, dizileyici dakikalarca veya günlerce çalışabilir. Verileri analiz etmenin bir yolu, onu çevrimiçi bir DNA veri tabanına yüklemek ve bilinen dizilerle karşılaştırmaktır. Bu sayede DNA’nın hangi türe ait olduğunu, örnekte patojen olup olmadığını ve hangi genlerin bulunduğunu öğrenebilirsiniz. Nanopor dizileme oldukça hızlıdır, ancak tipik olarak diğer dizileme yöntemlerinden daha az miktarda veri üretir. Dizileme merkezleri bu nedenle büyük miktarda veri elde etmek için önemli olmaya devam edecektir.

Nanopor dizileme uygulamaları

Nanopor dizileyiciler, DNA dizilimi için birçok yeni olasılık sunuyor. Hastane ortamında virüsleri, bakterileri ve parazitleri tanımlamak için zaten kullanılmıştır. En önemlisi, 2015 yılında bir bilim adamları ekibi, ilk dizileme saha kitini Batı Afrika’ya götürdü ve yeni suşların ortaya çıkışını izlemek için Ebola salgını sırasında 142 hastadan kan örneklerini diziledi (bkz Bryk, 2017). Bilim adamları, sadece 15 dakikalık dizilemeden sonra her numunedeki viral DNA’yı tanımlayarak, yeni teknolojinin salgınları izleme ve ilaç ve aşı hedeflerini anında kontrol önlemlerini bilgilendirmek için belirlemeye yardımcı olma potansiyelini sergiledi. Gelecekte, nanopor dizileme agresif tümörler için özellikle önemli olan kanserlerin tanımlanmasını da hızlandırabilir; şu anda, bir hastanın DNA örneğinin alınmasından bir laboratuvardan sonucun alınmasına kadar geçen süre haftalar alabilir.

Taşınabilir DNA dizileyicileri, yüksek dağlar ve derin denizler gibi uzak bölgelerdeki bilinmeyen türleri tanımlamak için de kullanılmıştır. Daha da uzaklarda, 2018’in başında NASA astronotlarının Uluslararası Uzay İstasyonu’nda bulunan mikropları nanopor DNA dizilimi kullanarak başarıyla tanımladıkları açıklandı. Bu, astronotların kendi ağız sürüntülerinden viral veya bakteriyel DNA’yı tanımlamak için bir dizileyici kullanarak enfeksiyonları potansiyel olarak teşhis edebilecekleri anlamına gelir. Bir gün, nanopore sıralayıcılar, diğer gezegenlerdeki DNA’yı analiz etmek için bile kullanılabilir.

Aynı teknolojiyi kullanarak, DNA dizilimi artık öğrenciler tarafından sınıfta^w1 gerçekleştirilebilir (örneğin meyvelerin DNA’sını bir smoothie^w2‘de dizileme). Taşınabilir DNA dizileyicilerin maliyeti yaygın kullanım için hala engelleyici olsa da, bu teknoloji “toplum bilim projeleri” ve eğitimi için birçok yeni fırsat sunuyor.

DNA dizilemenin etiği

Nanopor dizilimi, tam genomların taşınabilir DNA dizilimini sağlayan tek teknolojidir. Şu anda, herkes 150 Euro’dan daha az bir fiyata evde genetik test kitini kullanabilir. Ancak baz baz sonuç sağlayabilen nanogözenek dizilemesinden farklı olarak, bu kitler yalnızca belirli genleri analiz eder ve sonuçlar bazen sorgulanabilir.

Nanopor dizilimi nedeniyle tüm genom DNA dizilimi giderek daha erişilebilir hale geldiğinden, etik soruları dikkate almak çok önemli olacaktır. Ne kadar çok DNA dizilersek, genetik yatkınlıkların sağlık üzerindeki etkilerini o kadar iyi anlayacağız. Ancak genler belirli hastalıkların olasılığını tahmin edebilirken, yaşam tarzı faktörleri genellikle sonuca karar verir. Özel şirketler, genomik verilerin karmaşıklığını ve olasılıklı doğasını genellikle ihmal ederek, DNA testine dayalı şüpheli “sağlık burçları” pazarlamaktadır.

Veriler ayrıca ayrımcılık için kötüye kullanılabilir. Örneğin, sağlık sigortası şirketleri müşterilerini genetik profillere göre mi seçecek? DNA kayıtları polise açık olabilir mi? DNA dizleyicilerin ani minyatürleştirilmesi ışığında, prensipte herkes böyle bir cihaza sahip olabilir ve istediği gibi DNA dizileyebilir (aslında, bir akıllı telefon DNA dizileyici zaten geliştirilme aşamasındadır^w3. Gittiğimiz her yerde DNA izleri bırakıyoruz, bu yüzden mahremiyet artık artan bir endişe kaynağı.

Bilgisayarlar ve akıllı telefonlar gibi, DNA dizileyiciler de hayatımızı değiştirme gücüne sahiptir (ancak DNA dizleme risklerini azaltırken, fırsatları en üst düzeye çıkarmak için toplum olarak birlikte çalışmalıyız.

Download

Download this article as a PDF