Źródło: NextBigFuture.com

Przyszłość sekwencjonowania DNA

Autor: Agata Młodzińska
Publikacja: 2018-01-03

Sekwencjonowanie fragmentów DNA rozpoczęło się w roku 1977, kiedy po raz pierwszy pojawiła się publikacja opisująca nową metodę określania sekwencji nukleotydowych w DNA. Autorem innowacyjnej metody był Frederick Sanger, który do dnia dzisiejszego określany jest mianem niemal "ojca" sekwencjonowania a jego metoda - "złotym standardem". Wspomniana publikacja uzyskała ponad 70 tysięcy cytowań, a opisana w niej metoda jest szeroko stosowana na całym świecie. Wraz z pojawieniem się metody sekwencjonowania Sangera pojawiły się pomysły na nowe technologie, które w dzisiejszych czasach pełnią dużą rolę na rynku sekwencjonowania DNA. W niniejszym artykule skupiliśmy się na pokazaniu poruszonych w artykule Nature aspektów i możliwości wykorzystania sekwencjonowania DNA i ich konsekwencjach w różnych dziedzinach naukowych i społecznych.

Ewolucja sekwencjonowania DNA z sekwencjonowania metodą Sangera do wysokowydajnych technologii nastąpiła w oszałamiającym tempie. Silny wzrost generowania danych w ostatnich 30 latach spowodował znaczny wzrost zastosowań technologii w różnych dziedzinach naukowych i społecznych - od podstaw biologii po archeologię, kryminalistykę czy badania prenatalne. Z biegiem lat naukowcy mają coraz większy apetyt na dane z sekwencjonowania DNA i znajdują coraz nowsze ich zastosowania. Jeszcze niedawno - w latach 90-tych - pomysł sekwencjonowania ludzkiego genomu wydawał się być zniechęcający. Teraz każdy genetyk chciałby mieć sekwencje DNA dla wszystkich organizmów na Ziemi, każdej komórki, w każdej tkance, na każdym etapie rozwoju, w zdrowiu i chorobie. Dzisiejsze "przełomowe" zastosowanie sekwencjonowania DNA w medycynie sprowadza się do badań prenatalnych (czytaj: http://bioidea.com.pl/pl/artykuly/nowe-mozliwosci-w-badaniach-prenatalnych). Eksperci w tej dziedzinie szacują, że od 4 do 6 milionów ciężarnych kobiet wykonuje test prenatalny każdego roku na całym świecie, a liczba ta przekroczy 15 milionów w ciągu dekady. Niektóre cechy testu prenatalnego jak nieinwazyjność, łatwość wykonania czy niskie wymagania mogą przyczynić się do wykorzystania sekwencjonowania DNA w podstawowej opiece medycznej. Z kolei w onkologii bardzo dużo inwestycji dotyczy płynnej biopsji - diagnostyce nowotworów z wykorzystaniem badania wolnocyrkulującego DNA w krwi obwodowej pacjenta. Kluczem jest skupienie się na wykorzystaniu terapii nowotworowej skonstruowanej dla pojedynczych mutacji nowotworowych, a nie na typie nowotworu. Dzięki tak spersonalizowanej terapii możliwe jest indywidualne leczenie pacjenta w zależności od wykrytych mutacji, a nie stosowania jednej chemioterapii dla wszystkich. Innym przykładem jest wykorzystanie sekwencjonowania przez archeologów w rekonstrukcji przepływu genów przez pradawne populacje czy analizowanie genomów wszystkich żyjących i wymarłych gatunków (a nawet całych ekosystemów) przez ekologów, mikrobiologów i biologów ewolucyjnych. Wszystkie te badania - i wiele innych - generują ogromne ilości danych sekwencji DNA. Co więcej, utrzymujące się zapotrzebowanie na dane wymaga ogromnych wysiłków ich mądrego katalogowania i interpretowania. Już teraz dysponujemy usystematyzowaną wiedzą przechowywaną w bazach danych jak np. genomy referencyjne organizmów; w tym genom człowieka. Ta wiedza będzie się w przyszłości znacznie powiększać, a my musimy nauczyć się z niej korzystać.

Z biegiem lat platformy do sekwencjonowania DNA również ulegają drastycznym zmianom. Są małe, tanie i co ciekawsze - mobilne. Najnowsze doniesienia mówią o wykorzystaniu smartfonów do sekwencjonowania i analizy DNA. W styczniu 2017 roku, naukowcy z UCLA i Szwecji ogłosili, że zbudowali mikroskop, który wykorzystuje kamerę w smartfonie do wykrywania fluorescencyjnych produktów reakcji sekwencjonowania DNA w komórkach i tkankach. Oznacza to, że lekarz może podłączyć mobilny mikroskop do smartfona i przeprowadzić sekwencjonowanie DNA oraz analizę molekularną w miejscach, w których brakuje dobrze wyposażonych laboratoriów medycznych i szpitali. Teoretycznie nowe narzędzie pozwala lekarzom na wykonywanie diagnostyki nowotworów na najwyższym poziomie w dowolnym miejscu. Mobilne technologie sekwencjonowania znalazłyby wykorzystanie w wielu dziedzinach naukowych (mikrobiologii, medycynie) i społecznych (kryminalistyce, życiu codziennym). Ich wykorzystanie pozwoliłoby na wykonanie analizy metagenomicznej w każdym momencie, niemal w każdym środowisku. Już teraz łatwy dostęp do technologii sekwencjonowania DNA spowodował, że epidemiolodzy badają występowanie mikroorganizmów podczas testowania powietrza, wody, pożywienia oraz materiałów zwierzęcych i owadzich, nie wspominając o wymazach z ludzkiego gardła i płynach ustrojowych. Przykładem jest światowy projekt Global Virome Project powstały w celu analizy DNA dzikiej zwierzyny i identyfikacji wirusów, które mogą przenosić się na ludzi i wywoływać choroby. Kolejną innowacją z wykorzystaniem mobilnych narzędzi sekwencjonowania mogłaby być analiza DNA wszystkich mikroorganizmów w wodach odpływowych w całych miastach w celu przyspieszenia rozpoznania epidemii. Biolodzy morscy mogliby sprawnie monitorować stan zdrowia oceanów poprzez systematyczne badania metagenomiczne. Mobilne narzędzia mogłyby przenieść analizę DNA z laboratorium kryminalistycznego na ulice i uczynić z niej pierwszorzędne narzędzie policyjne. Policja mogłaby "odczytać" ludzkie DNA, tak jak obecnie sprawdza tablice rejestracyjne samochodu lub dokumenty tożsamości. Niektórzy widzą zastosowanie technologii sekwencjonowania w zaciszu domowym, jako np. kolejne narzędzie "inteligentne". Pomysły sięgają nawet możliwości monitorowania zdrowia rodziny dzięki sekwencjonowaniu DNA w toaletach w czasie rzeczywistym.

Zastosowań technologii DNA ciągle przybywa, a dzięki nowym pomysłom ich doskonalenia jest duża szansa na obecność tej technologii w wielu aspektach życia naukowego i społecznego. W artykule przedstawiliśmy tylko część pomysłów. Niespodzianki w przyszłości są nieuniknione.

 

- F. Sanger, Proc Natl Acad Sci U S A. 1977 Dec; 74(12): 5463–5467

- M.Kuhnemund, Nature Communications 8, 13913 (2017), doi:10.1038/ncomms13913

- D. Bianchi, Personal Communication