Подход DropSynth, описанный в недавнем выпуске журнала Science, позволяет создавать тысячи генов одновременно. Ученые используют последовательности генов для проверки роли генов в заболеваниях и важных биологических процессах.«Наш метод дает любой лаборатории, которая хочет построить свои собственные последовательности ДНК», — сказал Шрирам Косури, доцент кафедры химии и биохимии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и старший автор исследования. «Это первый случай, когда без миллиона долларов средняя лаборатория может создать 10 000 генов с нуля».
Все чаще ученые, изучающие широкий спектр медицинских вопросов — от устойчивости к антибиотикам до рака — проводят «высокопроизводительные» эксперименты, что означает одновременный скрининг сотен или тысяч групп клеток. Анализ большого количества клеток, каждая из которых имеет небольшие различия в ДНК, на их способность вести себя определенным образом или выживать после лечения лекарствами, может выявить важность определенных генов или участков генов в этих способностях.Такие эксперименты требуют не только большого количества генов, но и секвенирования этих генов. За последние 10 лет достижения в области секвенирования позволили исследователям одновременно определять последовательности многих нитей ДНК.
Таким образом, стоимость секвенирования резко упала, хотя процесс генерации генов оставался сравнительно медленным и дорогим.«Существует постоянная потребность в разработке новых методов синтеза генов», — сказал Калин Плеса, научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и соавтор статьи. «Чем больше ДНК вы сможете синтезировать, тем больше гипотез вы сможете проверить».
По его словам, современные методы синтеза генов либо ограничивают длину гена примерно 200 парами оснований — наборами нуклеотидов, составляющих ДНК, — либо являются чрезмерно дорогими для большинства лабораторий.Новый метод включает выделение небольших участков тысяч генов в крошечные капельки воды, взвешенные в масле.
Каждому участку ДНК присвоен молекулярный «штрих-код», который идентифицирует более длинный ген, которому он принадлежит.Затем разделы, которые изначально присутствуют в очень небольшом количестве, многократно копируются, чтобы увеличить их количество.
Наконец, маленькие бусинки используются для сортировки смеси фрагментов ДНК на правильные комбинации для получения более длинных генов, а секции объединяются. В результате получается смесь тысяч желаемых генов, которые можно использовать в экспериментах.
Чтобы показать, что этот метод работает, ученые использовали DropSynth для создания тысяч бактериальных генов — каждый длиной 669 пар оснований. Каждый ген кодировал другую бактериальную версию метаболического белка фосфопантетеинаденилилтрансферазы, или PPAT, который бактериям необходим для выживания. Поскольку PPAT имеет решающее значение для бактерий, вызывающих все, от инфекций носовых пазух до пневмонии и пищевых отравлений, он изучается как потенциальная мишень для антибиотиков.
Исследователи создали смесь тысяч версий PPAT с DropSynth, а затем добавили каждый ген к версии E. coli, в которой отсутствовал PPAT, и проверили, какие из них позволили E. coli выжить. Выжившие клетки затем можно было бы использовать для очень быстрого и недорогого скрининга потенциальных антибиотиков.DropSynth потенциально может быть полезен при разработке новых белков. В настоящее время ученые могут использовать компьютерные программы для создания белков, которые соответствуют определенным параметрам, таким как способность связываться с определенными молекулами, но DropSynth может предложить исследователям сотни или даже тысячи вариантов выбора белков, которые лучше всего соответствуют их потребностям.
Команда все еще работает над уменьшением количества ошибок DropSynth. Тем временем, ученые опубликовали инструкции на своем веб-сайте.
Все химические вещества, необходимые для воспроизведения этого подхода, имеются в продаже.Другими авторами исследования являются аспиранты Натан Любок и Ангус Сидор из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а также Ди Чжан из Пенсильванского университета.
Финансирование исследования было предоставлено Нидерландской организацией научных исследований, Программой гуманитарных исследований, Национальным научным фондом, Национальными институтами здравоохранения, Программой стипендиатов Сирла, Министерством энергетики США, а также Линдой и Фредом Вудл.