SMiLE-seq: Teknik baru mempercepat genetika

Anonim

Para ilmuwan di EPFL telah mengembangkan teknik yang dapat menjadi pengubah permainan bagi genetika dengan membuat karakterisasi protein pengikat DNA lebih cepat, lebih akurat, dan efisien.

Gen memegang kode DNA untuk memproduksi semua protein sel. Untuk memulai proses ini, gen harus terlebih dahulu ditranskripsikan dari DNA ke RNA. Ini membutuhkan keluarga besar protein pengikat DNA yang disebut faktor transkripsi, yang, mengingat pentingnya mereka dalam ekspresi gen, sangat menarik bagi para ahli biologi saat ini. Namun, karena jumlah mereka yang sangat banyak, kemampuan mereka untuk bergabung menjadi pasangan yang berbeda, dan kesulitan teknis untuk mempelajari sifat pengikatan DNA mereka di laboratorium, kita masih tahu sangat sedikit tentang banyak faktor transkripsi meskipun upaya ekstensif. Sekarang, para ilmuwan EPFL telah mengembangkan teknik berbasis mikrofluida yang dapat mempercepat proses dengan bahan-bahan minimum yang dibutuhkan, dan itu dapat diperluas ke molekul lain dan penelitian, misalnya menganalisis interaksi protein-RNA. Penerbitan dalam Metode Alam, para peneliti telah menggunakan teknik untuk menentukan sifat ikatan DNA lebih dari 60 faktor transkripsi termasuk sembilan yang baru.

Faktor transkripsi

Mamalia — termasuk manusia — memiliki antara 1300-2000 faktor transkripsi, banyak yang bergabung dengan yang lain menjadi "heterodimer" untuk mengikat gen dan menginduksi transkripsi mereka menjadi RNA. Karena satu faktor transkripsi dapat berpasangan dengan yang berbeda tergantung pada jenis sel di mana mereka aktif, jumlah kombinasi yang mungkin bisa sangat tinggi.

Tapi itu tidak cukup hanya mengetahui identitas faktor transkripsi dan yang mana dari mereka berpasangan; kita juga perlu memahami sifat pengikat DNA mereka seperti afinitas dan spesifisitas mereka untuk DNA - dan ini juga termasuk heterodimer. Ini adalah kunci jika kita ingin mengeksploitasi faktor transkripsi untuk tujuan bioteknologi atau farmasi di masa depan. Tetapi hal ini juga sangat sulit dilakukan secara eksperimental, karena membutuhkan faktor-faktor transkripsi yang sulit dibuat dalam jumlah besar.

Singkatnya, profil faktor transkripsi adalah tugas yang menakutkan dan sangat rumit. Ada beberapa database yang mendaftarkan properti pengikatan DNA, tetapi secara keseluruhan mereka hanya mencakup sekitar 500 faktor transkripsi tunggal, dan hanya sebagian kecil dari heterodimer, yang diperkirakan berkisar antara 3000 dan 25.000. Dapat dimengerti, kemajuan dalam bidang ini lambat, dan profil yang tersedia dalam database ini cenderung hanya memiliki nilai kuantitatif medisistis dalam hal memprediksi gen target untuk faktor-faktor transkripsi ini.

Pendekatan mikrofluida

Laboratorium Bart Deplancke di Institut Bioteknologi EPFL kini telah menemukan teknik baru yang disebut SMiLE-seq, yang dapat mempercepat proses dengan hanya sejumlah kecil faktor transkripsi yang diperlukan. Teknik ini menggunakan mikrofluida, yang merupakan ilmu mengendalikan sejumlah kecil cairan dalam ruang yang sama kecil. Microfluidics cepat menjadi area keunggulan di EPFL, menyatukan sejumlah bidang dan disiplin ilmu yang berbeda.

SMiLE-seq bekerja dengan melampirkan sejumlah kecil faktor transkripsi (atau faktor ketika menyelidiki heterodimer) dalam perangkat mikrofluida — ini adalah chip dengan saluran berukuran mikrometer yang memungkinkan cairan mengalir melalui. Setelah faktor transkripsi melekat pada permukaan chip, sebuah perpustakaan besar DNA acak dipompa lembut ke dalam chip dan mengalir di atasnya. Hal ini memungkinkan faktor transkripsi mengenali urutan DNA yang sesuai. Setelah itu, kompleks faktor transkripsi-DNA terperangkap secara fisik dengan menjatuhkan tombol yang dikemudikan mikrofluida, sementara DNA yang tidak terikat hanyut begitu saja.

Selanjutnya, DNA yang terikat diambil dari perangkat dan disiapkan untuk pengurutan untuk mengidentifikasi bagian mana yang ditangkap oleh faktor transkripsi. Informasi ini dimasukkan ke dalam perangkat lunak khusus yang memungkinkan peneliti untuk mencari tahu sifat pengikatan DNA dari faktor transkripsi atau heterodimer. Pada gilirannya, ini membantu untuk lebih memprediksi profil DNA-binding in vivo mereka.

Penggunaan mikrofluida di SMiLE-seq menawarkan tiga keuntungan utama: Pertama, mengurangi jumlah faktor transkripsi yang diperlukan untuk jenis eksperimen ini, karena hanya membutuhkan piktogram. Kedua, mempercepat prosesnya, dari hari ke kurang dari satu jam. Dan akhirnya, SMiLE-seq tidak dibatasi oleh panjang sekuens target DNA, juga tidak bias ke arah interaksi protein-DNA afinitas yang lebih kuat karena metode saat ini bisa.

Tim Deplancke menggunakan SMiLE-seq pada 67 faktor transkripsi manusia, tikus, dan Drosophila, berhasil menganalisis beberapa yang tidak pernah dipelajari sebelumnya. Di masa depan, ia bermaksud untuk mengeksploitasi fleksibilitas teknik ke dalam molekul lain, seperti RNA. Timnya telah mengajukan paten, dan startup sedang bekerja untuk mengambil konsep teknologi SMiLE-seq ke dunia komersial.

menu
menu