Twoja wyszukiwarka

TOMASZ ŁĘSKI
GENETYCZNY MIKROPROCESOR
Wiedza i Życie nr 2/2000
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 2/2000

Tanie, masowo produkowane mikroprocesory odmieniły nasze życie. Za ich sprawą komputery stały się towarem dostępnym niemal dla każdego. Dzięki mikroprocesorom udało się także tchnąć "inteligencję" w tysiące otaczających nas przedmiotów codziennego użytku: telewizory, pralki, telefony, samochody, a nawet zabawki dla dzieci. Dziś stoimy u progu kolejnej rewolucji - tym razem jednak na płytce z krzemu, zamiast tranzystorów, umieszczono cząsteczki DNA.

Gdy w listopadzie 1971 roku mało znana amerykańska firma Intel zaczęła sprzedawać niepozornie wyglądające krzemowe płytki, nikt nie zdawał sobie sprawy, że właśnie rozpoczęła się największa rewolucja technologiczna w dziejach ludzkości. Płytki, o których mowa, były bowiem niezwykłe. Dzięki zastosowaniu wyrafinowanej technologii na ich powierzchni udało się upakować kilka tysięcy tranzystorów, które połączone w odpowiedni sposób dały pierwszy mikroprocesor. Intel to obecnie najpotężniejszy producent mikroprocesorów, będący równocześnie jednym z najbardziej dochodowych przedsiębiorstw na świecie. Mikroprocesory stały się katalizatorem gwałtownego rozwoju wielu gałęzi przemysłu. Rozwój ten w najbardziej spektakularnej formie objawił się w dziedzinie telekomunikacji, czego efektem są m.in. gwałtownie rozrastający się Internet i ogromne tempo ekspansji telefonii komórkowej oraz satelitarnej. Mikroprocesor zmienił świat.

Zaledwie dwadzieścia lat po debiucie pierwszego mikroprocesora tuż pod bokiem Intela zakiełkował kolejny genialny pomysł, który zwiastuje nadejście następnej rewolucji. Może ona zmienić nasze życie w jeszcze większym stopniu, niż zrobiły to mikroprocesory. Symbolem nowego przełomu ponownie stała się znana już niewielka krzemowa płytka. Na jej powierzchni nie ma jednak ani jednego tranzystora, są natomiast gęsto upakowane, krótkie cząsteczki DNA, substancji uznawanej za esencję życia.

Za pomocą tych układów, zwanych z angielska "DNA-chipami", będzie można już wkrótce w prosty i szybki sposób analizować zapis genetyczny żywych organizmów. Specjaliści przepowiadają, że DNA-chipy spowodują ogromny przełom w badaniach procesów zachodzących w komórkach.

To jednak może być interesujące jedynie dla garstki specjalistów. Naprawdę sensacyjna wydaje się dopiero perspektywa praktycznego zastosowania tych urządzeń w medycynie. DNA-chipy dramatycznie zmienią metody badania, diagnozowania i leczenia tysięcy rozmaitych chorób. Dzięki mikroprocesorom mamy dziś komputery osobiste, być może DNA-chipy doprowadzą do powstania osobistej medycyny każdy pacjent będzie mógł być leczony naprawdę indywidualnie. Dzięki nowej technologii możliwe stanie się szybkie i precyzyjne uzyskanie całościowego obrazu procesów chorobowych zachodzących w tkankach chorego, a także dobranie leków ze szczególnym uwzględnieniem cech biochemii jego organizmu.

SEKRETY PODWÓJNEJ HELISY

Tuż po zakończeniu II wojny światowej dwaj genialni uczeni, Amerykanin James Watson i Anglik Francis Crick, odkryli, w jaki sposób zbudowane są cząsteczki kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA), za co w roku 1962 dostali Nagrodę Nobla. Był to moment zwrotny w historii nauk biologicznych. W wyniku analizy danych krystalograficznych Watson i Crick doszli do wniosku, że DNA składa się z dwóch śrubowato oplecionych wokół siebie nici, tworzących strukturę tzw. podwójnej helisy, często niepoprawnie zwanej podwójną spiralą (patrz: okładka). Każda z nici zbudowana jest z czterech rodzajów podstawowych cząsteczek, zwanych nukleotydami, które połączone są ze sobą jak ogniwa w łańcuchu . To właśnie kolejność ułożenia (sekwencja) nukleotydów w nici DNA stanowi o treści zapisu genetycznego. Wejrzenie w strukturę DNA otworzyło możliwość odczytywania informacji zawartej w genach organizmów żywych

Pojawiła się szansa bezpośredniego poznawania miliardów bitów informacji, ściśle określających strukturę i działanie wszelkich znanych form życia. Wkrótce też (w latach siedemdziesiątych) narodziła się inżynieria genetyczna, która pozwoliła na manipulowanie pojedynczymi cząsteczkami DNA i przenoszenie genów pomiędzy różnymi gatunkami organizmów. Stąd był już tylko krok do zmodyfikowanej żywności, terapii genowej czy dowodów sądowych w postaci DNA sprawcy...

Dobrodziejstwa w dziedzinie medycyny, które przyniosła ze sobą rewolucja genetyczna, są jednak wciąż dostępne stosunkowo niewielkiej grupie pacjentów. Wymagają bowiem specjalnego sprzętu, odpowiednio wyszkolonego personelu, a poza tym są dosyć drogie. Wynika to m.in. z faktu, że wszystkie powszechnie wykorzystywane metody analizy DNA są obecnie wyjątkowo mało wydajne. Całkowity zapis genetyczny (czyli genom) jednokomórkowej bakterii Escherichia coli, będącej ulubionym obiektem badań biologów, duży zespół naukowców rozszyfrowywał przez kilkanaście lat! Warto sobie jednak uświadomić, że uzyskana w ten sposób informacja o sekwencji DNA dotyczy jednego konkretnego szczepu bakterii, podczas gdy w obrębie tego samego gatunku znajdują się setki różnych szczepów, a każdy z nich nieznacznie różni od pozostałych swym zapisem genetycznym. Można sobie wyobrazić, jak skomplikowana musiałaby być całościowa analiza genomu człowieka, którego DNA zawiera 1000 razy więcej informacji genetycznej niż u przeciętnej bakterii.

Niestety, poznanie genetycznego podłoża choroby, jej wykrywanie czy leczenie może wymagać porównania genów człowieka zdrowego i chorego oraz znalezienia różnic, które są za dolegliwość odpowiedzialne. Kompletny zapis genetyczny człowieka nie jest jednak ciągle poznany, chociaż naukowcy są już na dobrej drodze. W listopadzie 1999 roku świętowano poznanie miliardowej sekwencji ludzkiego genomu i opisanie dokładnego składu ludzkiego 22. chromosomu (patrz: Pierwszy chromosom rozszyfrowany, s. 16). Pomimo jednak, że odczytanie całego ludzkiego DNA jest przedmiotem wielkiego międzynarodowego przedsięwzięcia (Human Genome Project) angażującego setki badaczy, miliardy dolarów i wymagającego wielu lat pracy, porównywanie całych genomów różnych ludzi nie wchodzi jeszcze w rachubę.

CHIPOWA REWOLUCJA

Ryc. 2. Krzemową płytkę poddaje się działaniu światła ultrafioletowego. Dzięki zastosowaniu przesłony promieniowanie UV dociera jedynie do wybranych miejsc na chipie i aktywuje je. Następnie przeprowadza się reakcję przyłączania do płytki nukleotydów elementów tworzących DNA. Nukleotydy wiążą się jedynie z obszarami chipa pobudzonymi przez naświetlanie. Po kilku cyklach naświetlania i dołączania nowych nukleotydów otrzymujemy na chipie dużą ilość różnorodnych, krótkich cząsteczek DNA o pożądanych przez nas sekwencjach

Dzięki DNA-chipom sytuacja w tej dziedzinie może się wkrótce radykalnie zmienić. Spełnią się najbardziej nawet nierealne sny biologów i lekarzy. A wszystko to dzięki pewnej niezwykłej właściwości cząsteczek DNA, zwanej komplementarnością nici . Dzięki tej cesze podwójnej helisy komórki mogą wiernie kopiować swój DNA i naprawiać go bez utraty informacji. Okazuje się jednak, że zjawisko komplementarności ma kapitalne znaczenie także dla naukowców i legło u podstaw wielu technik wykorzystywanych w badaniach genetycznych.

Cała sztuczka polega na tym, że pojedyncze komplementarne nici DNA są w stanie wzajemnie się odszukiwać i spontanicznie tworzyć prawidłową podwójną helisę. Takie łączenie się odpowiadających sobie nici nazywa się hybrydyzacją. Dzięki wykorzystaniu hybrydyzacji możliwe jest wykrywanie fragmentów DNA o określonej sekwencji. Wystarczy, że dysponujemy fragmentem DNA o sekwencji komplementarnej. Dziś technikę tę wykorzystuje się powszechnie w celu wykrywania obecności uszkodzeń w pewnych genach, co pozwala m.in. na wczesne wykrywanie wielu chorób uwarunkowanych genetycznie.

Zasada działania DNA-chipów również polega na wykrywaniu cząsteczek DNA o określonej sekwencji za pomocą hybrydyzacji z krótkimi odcinkami DNA umiejscowionymi na krzemowej płytce.

Jedną z pierwszych firm, które rozpoczęły badania nad DNA-chipami i ich produkcję, jest niewielka, leżąca na terenie Krzemowej Doliny, firma o nazwie Affymetrics. O tym, jak poważne nadzieje wiążą specjaliści z nową technologią, może świadczyć fakt, że wśród doradców naukowych firmy znaleźli się tacy znawcy genetyki, jak laureat Nagrody Nobla Paul Berg, czy jeden z geniuszy w dziedzinie mikroelektroniki Fabian Pease. Affymetrics jest dzieckiem firmy pracującej nad sposobami szybkiego wytwarzania tysięcy różnych cząsteczek, które potem mogły być testowane jako potencjalne leki.

Człowiekiem, który stanowił siłę napędową nowego projektu, był niezwykle zdolny absolwent University of California, Steven Fodor. We współpracy ze znanym amerykańskim biochemikiem Lubertem Stryerem opracowali niezwykłą technologię, umożliwiającą syntezę tysięcy cząsteczek DNA o różnych sekwencjach, zakotwiczonych na niewielkim skrawku krzemowej płytki. Ideę, która leżała u podstaw tej technologii, początkowo uważano za szaloną. Polegała ona na uzyskiwaniu odpowiedniego przebiegu tysięcy różnych reakcji w wyniku serii naświetlań krzemowych płytek światłem ultrafioletowym tak jak to czyni się podczas produkcji mikroprocesorów metodą fotolitografii (ryc. 2).

Ryc. 3. Do płytki (chipa) przymocowane są jednoniciowe fragmenty DNA. Jeżeli w badanej próbce znajduje się cząsteczka DNA o sekwencji komplementarnej do nici umieszczonej na płytce, dochodzi do ich połączenia. Dwuniciowy fragment DNA powoduje powstanie impulsu (elektrycznego lub świetlnego), który odczytywany jest przez urządzenie rejestrujące

Chipy produkowane przez Affymetrics przypominają miniaturową szachownicę, gdzie na każdym z pól zaczepione są fragmenty DNA o określonej sekwencji, mogące łączyć się z komplementarnymi fragmentami DNA w badanej próbce. Przy zastosowaniu specjalnego czytnika można wykryć, na których polach zaszła hybrydyzacja . Technologia ta pozwala osiągnąć to, co jeszcze niedawno było niemożliwe błyskawicznie analizować sekwencje wielkiej liczby cząsteczek DNA. W połączeniu z komputerowym przetwarzaniem uzyskanych wyników technika ta jest potężnym narzędziem badawczym. Pierwsze produkowane przez Affymetrics chipy zawierały 20 tys. różnych fragmentów DNA. Dziś firma ta deklaruje, że opanowała technologię umożliwiającą wytwarzanie chipów zawierających nawet 400 tys. fragmentów DNA o rozmaitych sekwencjach na krzemowej płytce o powierzchni kilku centymetrów kwadratowych.

WRÓŻENIE Z CHIPA

Co to oznacza w praktyce? Oto stanęliśmy na progu epoki, w której analiza setek genów równocześnie staje się wykonalna. W najbliższej perspektywie można oczekiwać zastosowania tej technologii do badań nad wszelkimi procesami zachodzącymi w żywych komórkach. Co za tym idzie także w komórkach ludzkich, co otwiera szerokie pole do badań w zakresie medycyny i farmacji. Za pomocą różnego rodzaju DNA-chipów będzie można przyglądać się dokładnie poszczególnym genom, błyskawicznie poznawać sekwencje nieznanych fragmentów DNA, a także obserwować aktywność tysięcy genów działających w komórce .

Dzięki temu można będzie poznać prawdziwe źródło wielu tajemniczych jeszcze dziś chorób. W wyniku analizy różnych genów posiadanych przez ludzi częściej zapadających na określone schorzenie poznamy zapisane w DNA najbardziej pierwotne przyczyny ich dolegliwości. Nowa metoda umożliwi nie tylko badanie chorób uwarunkowanych genetycznie. Być może dzięki temu dowiemy się, czy istnieją geny odpowiedzialne za wysoką inteligencję i poznamy geny sprzyjające długowieczności (jeśli w ogóle istnieją). Dzisiejsze techniki analizy genetycznej nie są jeszcze w stanie jednoznacznie odpowiedzieć na większość tego typu pytań, gdyż liczba genów, które można równocześnie analizować, jest mocno ograniczona.

Firmy farmaceutyczne wiążą ogromne nadzieje z zastosowaniem DNA-chipów w badaniach nad nowymi lekami. Obecnie, aby wytypować cząsteczkę chemiczną mogącą być potencjalnym lekiem, należy przeprowadzić drogie i długotrwałe eksperymenty na zwierzętach. Dzięki zastosowaniu DNA-chipów, które pozwolą zidentyfikować geny uaktywniające się pod wpływem badanej substancji, o wiele szybciej i taniej będzie można ocenić jej przydatność.

W dalszej przyszłości DNA-chipy z pewnością wkroczą na rynek diagnostyki medycznej. Zakres tego rodzaju zastosowań wszystkich rodzajów DNA-chipów jest wprost nieograniczony . Najprawdopodobniej zupełnie przeobrażą sposób działania opieki medycznej. Za kilkadziesiąt lat będziemy zlecać wykonanie analizy naszego profilu genetycznego tak, jak dzisiaj robimy sobie prześwietlenie płuc czy badanie moczu. Otrzymamy możliwość wcześniejszego poznania wszelkich uwarunkowań genetycznych przyszłych chorób. Dowiemy się, czy grozi nam zachorowanie na różne rodzaje nowotworów, a także inne choroby, których przyczyn dziś jeszcze nie znamy. Być może dowiemy się także, jakie są nasze predyspozycje fizyczne i umysłowe.

Medycyna będzie o wiele skuteczniej zapobiegać chorobom. Leczenie nabierze znacznie bardziej indywidualnego charakteru, bo każdy lek zostanie dopasowany do potrzeb pacjenta. Dodatkowo lekarz, korzystając z technologii DNA-chipów, wykona analizy, które obecnie są co prawda możliwe, lecz kosztowne i czasochłonne. Tak może być w przypadku diagnostyki zakażeń. Dziś, gdy przychodzimy do lekarza z bólem gardła, a istnieje podejrzenie zakażenia bakteryjnego, musi on stwierdzić, z jakiego rodzaju bakterią ma do czynienia i na jakie antybiotyki jest ona wrażliwa. Badanie trwa kilka dni, dlatego lekarz na początku przepisuje antybiotyk jedynie na podstawie własnej intuicji. W epoce DNA-chipów analiza próbki pobranej z gardła będzie trwała około godziny, a chip przeanalizuje materiał genetyczny znaleziony w próbce i odpowie na pytanie, jaka bakteria wywołała zakażenie i jaki antybiotyk należy przepisać. Ta wizja, mimo że dziś jeszcze wydaje się zupełnie fantastyczna, może się urzeczywistnić już za około 20 lat.

Nie ma jednak róży bez kolców. Nowa technologia może posłużyć także do szybkiego i dyskretnego zdobywania wiedzy o genach człowieka. Chęć pozyskiwania takich informacji o swoich klientach sygnalizują firmy ubezpieczeniowe, pracodawcy i różnego rodzaju służby specjalne. W epoce DNA-chipów poważnym problemem stanie się więc ochrona prywatności ludzkiego zapisu genetycznego.

Obecnie firmy pracujące nad rozwojem technologii DNA-chipów nie przynoszą jeszcze znaczących dochodów. Pomimo tego podobnych firm jest już co najmniej kilkanaście, a nowe powstają jak grzyby po deszczu. Trudno się dziwić, gdyż analitycy finansowi szacują, że rynek DNA-chipów jest już dziś wart około 40 mln dolarów rocznie. W ciągu najbliższych kilku lat ma jednak szansę wzrosnąć dziesięciokrotnie, a więc jest o co walczyć.

Na razie nie należy jeszcze oczekiwać, że DNA-chipy wezmą szturmem szpitalne laboratoria i gabinety lekarskie. Są bowiem ciągle zbyt drogie, aby konkurować z tradycyjnymi metodami diagnostycznymi. Aby takie testy były opłacalne, jeden chip nie powinien kosztować więcej niż 5 dolarów. Na razie więc DNA-chipy znajdują zastosowanie głównie w dociekaniach naukowych, są także wykorzystywane przez firmy farmaceutyczne do badań nad istotą procesów chorobowych oraz przy poszukiwaniach nowych leków. W przyszłości jednak, wraz z udoskonalaniem technologii i produkcją na masową skalę, DNA-chipy stanieją i zawędrują pod strzechy, podobnie jak kilkanaście lat temu mikroprocesory.

DNA - uniwersalny nośnik informacji genetycznej

DNA jest biologicznym odpowiednikiem tego, czym w komputerach jest pamięć masowa, i służy do przechowywania informacji niezbędnej do prawidłowego funkcjonowania żywych istot. Dotyczy to zarówno prostych organizmów składających się z jednej komórki (bakterie, niektóre grzyby, pierwotniaki), skomplikowanych form życia, których organizmy składają się z miliardów komórek (rośliny, zwierzęta), a także istot leżących na pograniczu świata ożywionego, jakimi są nie posiadające budowy komórkowej wirusy. W przypadku wirusów rolę DNA w pewnych przypadkach przejmuje bardzo do niego podobny kwas rybonukleinowy (RNA). W cząsteczkach kwasu deoksyrybonukleinowego zapisana jest zarówno informacja na temat budowy białek, które są podstawowym składnikiem żywej materii, i ich funkcjonowania. W latach sześćdziesiątych udało się złamać szyfr, za pomocą którego informacja genetyczna jest zapisywana w cząsteczkach DNA, czyli tzw. kod genetyczny. Odkryciem, które wówczas rzuciło biologów na kolana, był fakt, że ten sam kod, z pewnymi minimalnymi odchyleniami, jest wykorzystywany przez wszystkie żywe istoty na Ziemi.

Chip chipowi nierówny

Jakiej informacji dostarczają nam DNA-chipy? W pierwszej chwili odpowiedź wydaje się oczywista informacji na temat sekwencji analizowanego DNA. Ze względu na charakter uzyskiwanych informacji chipy można podzielić na trzy grupy:

  • Chipy do analizy znanych już sekwencji. Dzięki nim można diagnozować choroby genetyczne wywoływane przez określone mutacje w obrębie znanych już genów. Aby skonstruować taki chip, musimy znać sekwencję obszaru DNA, który chcemy analizować, i dla każdego genu (grupy genów) potrzebny jest oddzielny chip. Właśnie tego rodzaju chipy wytwarza firma Affymetrics; należy do nich chip do analizy sekwencji wirusa HIV lub chip do analizy mutacji w genie p53, odpowiedzialnych za ponad połowę znanych nam nowotworów.
  • Chipy, za pomocą których można analizować dowolny fragment DNA o nieznanej wcześniej sekwencji, czyli po prostu sekwencjonować kwasy nukleinowe. Są to chipy uniwersalne, jeden chip można stosować do analizy wielu różnych sekwencji. Tego rodzaju technologię rozwija inna amerykańska firma Hyseq. Obecnie problemem jest ograniczona długość fragmentu DNA, który może być poddany analizie za pomocą DNA-chipu.
  • Chipy, których zadaniem jest nie tylko sama analiza sekwencji genów, ale także śledzenie ich aktywności. Wiadomo bowiem, że większość genów obecnych w naszych komórkach jest włączana i wyłączana zależnie od potrzeb. Inne geny czynne są w komórkach osoby zdrowej, a zupełnie inne u człowieka, który walczy z infekcją, ma raka czy cierpi na chorobę Alzheimera. Działanie tego rodzaju chipów polega na wykrywaniu obecności cząsteczek tzw. informacyjnego RNA, czyli mRNA (będących swego rodzaju kserokopiami aktywnego genu wykonywanymi przez komórkę podczas odczytu zawartej w nim informacji).

DNA-chipy i wielkie pieniądze

Głównym wytwórcą przyrządów dla nowej technologii i samych mikrochipów jest kalifornijska firma Affymetrics. Sprzedaje ona maszynę do odczytu wyników za 175 tys. dolarów i jednorazowe chipy w cenie 500-2000 dolarów za sztukę. Chipy stanowią standardowe zestawy sond dla genów ludzkich, mysich, szczurzych, drożdży i Arabidopsis (ulubiona roślina genetyków). Kilku młodych zapaleńców zgrupowanych w Stanford University proponuje jednak urządzenia typu "zrób to sam". W ich ofercie znajdziemy czytnik za połowę ceny, a do tego prostszą i tańszą metodę przygotowania chipu. W październiku 1999 roku w Cold Spring Harbor Laboratory zorganizowano kurs, na którym demonstrowano, jak robić "ma-szynę stanfordzką". Uczestnictwo w kur-sie kosztowało 2 tys. dolarów, ale jeśli ktoś zapłacił 30 tys., mógł skonstruowane przez siebie urządzenie zabrać do domu.

Chipy DNA - technologia XXI wieku

Ubiegły rok przyniósł wiele przykładów możliwych zastosowań nowej technologii. Oto ciekawsze z nich:

  • W amerykańskim National Institute of Health analizowano aktywność 3 tys. ludzkich genów, szukając zmian odpowiedzialnych za powstawanie niezwykle złośliwego nowotworu - czerniaka.
  • W Center for Plant Breeding w Holandii śledzono aktywność 1800 genów truskawek w czasie dojrzewania owoców. Wytypowano 200 genów mających wpływ na tempo tego procesu.
  • W US Army Medical Research Institute of Infectious Diseases na mikroukładzie 1400 ludzkich genów śledzono wpływ zakażenia dwiema odmianami wirusa Ebola. Odmiana Zair jest bezwzględnym zabójcą, podczas gdy Reston zakaża ludzi, nie wywołując niemal żadnego efektu. Okazało się, że aktywność genów w zarażonych komórkach układu odpornościowego była zasadniczo różna dla obu odmian wirusa.
  • W RIKEN Genomic Science Center w Japonii przygotowano kolekcję 20 tys. genów myszy i sprawdzano ich aktywność w szeregu narządów.
  • W St. George's Hospital Medical School w Londynie użyto zestawu sond do wszystkich genów prątków gruźlicy, aby dowiedzieć się, które i w jakim stopniu ulegają aktywacji w pierwszej fazie zakażenia. Zdobyta wiedza pomoże w walce z tą groźną chorobą.