Ar įmanoma nustatyti genetines mutacijas vos iš vieno kraujo ar seilių lašo – greitai, paprastai ir nebrangiai? Šiandien laboratorijose vis dar vyrauja didelė ir brangi įranga, sudėtingi protokolai, ilgas laukimas ir aukšta tyrimų kaina. Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centre, Bioanalizės skyriuje (VU GMC), mokslininkai kuria naują technologiją – miniatiūrinius elektrocheminius jutiklius, kurie gali ne tik atpažinti DNR sekas, bet ir nustatyti, kokios jos yra, siekiant įvertinti galimą jų poveikį sveikatai.
Variacijos žmogaus genome – taisyklė, o ne išimtis
Kiekvienas mūsų paveldi genomą – unikalų DNR rinkinį, kuriame užkoduota daugybė organizmo savybių. Genomą galima palyginti su instrukcijų ir brėžinių rinkiniu didelėje gamykloje – ši gali veikti sklandžiai ir našiai tik tada, kai vadovaujamasi tvarkingu ir tiksliu planu. Genetinė informacija lemia mūsų akių spalvą, nosies formą, ūgį, kai kurias charakterio savybes, polinkį į ligas ar net tai, kaip organizmas apdoroja ir priima vaistus.
Tačiau kartais šiose „instrukcijose“ įvyksta nedideli pokyčiai – viena raidė pasikeičia į kitą. Tokie genomo pakitimai vadinami vieno nukleotido polimorfizmais. Jie gali nulemti ryškius biologinius skirtumus tarp žmonių, pavyzdžiui, skirtingą medžiagų apykaitą. Žmogaus genome yra apie 3 milijardus bazių porų, jose mokslininkai jau yra identifikavę net apie 84 milijonus genetinių variacijų. Dauguma jų nekenksmingos, kai kurios net naudingos – susijusios su prisitaikymu prie aplinkos. Vis dėlto dalis šių pavienių mutacijų gali turėti neigiamą poveikį ir lemti svarbius sveikatos ypatumus, todėl jas verta nustatyti.
Vienas iš praktinių pavyzdžių – farmakogenetiniai tyrimai, kurie padeda nustatyti, kaip konkretaus žmogaus genetiniai skirtumai veikia tam tikrų vaistų veiksmingumą ar toleravimą. Pakanka įvesti į „Google“ paiešką „farmakogenetiniai tyrimai“, kad įsitikintume – tokie tyrimai vis dar brangūs (kaina gali siekti 500 eurų) ir dažnai trunka 2–3 savaites. To priežastis – lėtos, brangios technologijos. Norint, kad šios paslaugos būtų lengviau prieinamos, reikalingas proveržis, iš esmės keičiantis dabartinius analizės metodus.
Kaip veikia elektrocheminiai DNR biojutikliai?
Elektrocheminiai DNR biojutikliai veikia tarsi mažos laboratorijos, integruotos į vieną ar kelis elektrodus. Ant specialaus paviršiaus pritvirtinamas vadinamasis zondas – trumpa DNR grandinėlė, sukurta tam, kad atpažintų konkrečią ieškomą seką – taikinį. Kai iš kraujo ar seilių mėginio išskirta taikinio DNR patenka ant jutiklio paviršiaus, įvyksta susijungimas (hibridizacija) tarp zondo ir taikinio. Prisijungusi grandinėlė inicijuoja tolesnes reakcijas, kurių metu elektronai perduodami į jutiklio paviršių. Šis elektronų srautas fiksuojamas kaip elektros srovė, ir būtent ši srovė tampa signalu, rodančiu, ar aptikta konkreti mutacija.
Vienas iš išskirtinių VU GMC kuriamų jutiklių bruožų – gebėjimas matuoti, kaip greitai DNR atsiskiria nuo zondo tam tikroje temperatūroje. Šis vadinamasis „lydymosi“ greitis leidžia atskirti labai panašias sekas, skirtingas tik viena baze – pavienes genetines variacijas. Ir tai – ne vien teorinis sumanymas: technologija jau buvo pritaikyta realiuose tyrimuose, siekiant nustatyti žmogaus genotipo skirtumus, turinčius įtakos vaistų apykaitai. Vienas pavyzdžių – CYP2C19 geno variantai, lemiantys kraują skystinančio vaisto klopidogrelio veiksmingumą.
Šie biojutikliai jau dabar leidžia analizuoti net sudėtingą žmogaus DNR be papildomo mėginio gryninimo. Vis dėlto iki praktinio taikymo dar laukia svarbūs žingsniai – visų pirma, atsisakyti būtinybės taikyti DNR dauginimo reakciją (PGR) arba ją integruoti tiesiai į jutiklio sistemą, taip pat išplėsti technologijos galimybes taip, kad vienu tyrimu būtų galima nustatyti ne vieną, o keliolika ar net keliasdešimt genetinių variacijų.
Ateities vizija – DNR testas tavo kišenėje
Įsivaizduokime pasaulį, kuriame genetiniai tyrimai būtų tokie pat paprasti kaip temperatūros matavimas. Nedidelis testavimo elektrodas – tarsi juostelė, ant kurios užlašinamas kraujo ar seilių lašas ir po kelių minučių telefone ar mažame skaitytuve pasirodo atsakymas, ar turite konkrečią mutaciją, koks vaistas jums tinkamiausias, ar yra infekcijos žymenų ir pan.
VU GMC mokslininkų kuriami elektrocheminiai jutikliai leidžia tikėtis tokio proveržio – laboratorijos kišenėje: mažo, pigaus, greito ir tikslaus diagnostinio įrankio. Toks įrankis galėtų būti taikomas ne tik klinikose, bet ir namuose, mobiliuose tyrimų punktuose ar net kosmose.
Šios technologijos išskirtinumas – jos pritaikomumas ne tik genetiniams tyrimams, bet ir greitai infekcijų diagnostikai bei netikėtų mutacijų paieškai. Artimiausioje ateityje individualizuoti, personalizuoti tyrimai bus prieinami ten, kur esame, ir tada, kai to labiausiai reikia. Tai būtų proveržis tiek diagnostikos, tiek sveikatos priežiūros prieinamumo požiūriu.
Turėdami reikiamą finansavimą, stiprią komandą ir kryptingai dirbdami per 15–20 metų šią technologiją galime sukurti čia, Lietuvoje.
Šis dr. Daliaus Ratauto straipsnis parengtas kaip mokslinio projekto „Elektrocheminio biojutiklio, skirto vieno nukleotido polimorfizmams nustatyti, sukūrimas“, vykdomo VU GMC ir finansuojamo Lietuvos mokslo tarybos (Nr. S-MIP-23–127), viešinimo visuomenei priemonė.