Ny kapacitet til DNA -forstærkning giver løfte om bekæmpelse af sygdomme

DNA -amplifikation - en molekylær "fotokopiering" teknik, hvor genetisk materiale replikeres - har mange anvendelser inden for videnskabelig forskning, Retsmedicinsk videnskab, og medicinske laboratorier. Det er nyttigt til at opdage og identificere visse former for kræft og virussygdomme, og har løfte om behandling af disse sygdomme i fremtiden.

DNA -amplifikationsprocessen kræver i øjeblikket termisk cykling over en lang række høje temperaturer, fra 48 ° C til 95 ° C (118 ° F til 203 ° F). Som resultat, kvaliteten af ​​biologiske prøver, der behandles, kompromitteres ofte. Et team af japanske forskere har nu udviklet en metode til at forstærke DNA ved kropstemperatur i kunstige celler, der ligner menneskers.

Deres resultater blev offentliggjort den 9. juli, 2019 i Kemisk kommunikation .

DNA -amplifikation bruges i vid udstrækning i molekylærbiologisk forskning til DNA -sekventering for at bestemme den nøjagtige struktur af nukleotider, der udgør en organismes genetiske materiale, samt til DNA -kloning og undersøgelser relateret til genekspression. Det bruges også til at analysere DNA indsamlet fra gamle prøver. Retsmedicinske applikationer omfatter genetisk fingeraftryk, en teknik, der ofte bruges til at inkriminere eller retfærdiggøre mistænkte i en kriminel efterforskning, at identificere liget af en afdød person, eller forældre-/faderskabstest for at bekræfte et barns biologiske forældre. Medicinske anvendelser af DNA -replikation omfatter påvisning og identifikation af flere typer kræft, samt infektionssygdomme, herunder Human Immunodeficiency Virus (HIV) - hvilket kan være notorisk svært at opdage.

I øjeblikket, polymerasekædereaktion (PCR) teknik bruges sædvanligvis til at amplificere et segment af DNA. Under PCR -processen DNA -prøven opvarmes gentagne gange, så den skilles i to enkelte DNA -tråde. Ved hjælp af en enzymprimer, hvert nyt molekyle består nu af en gammel DNA -streng sammen med en ny DNA -streng for at danne den dobbelte helix.

Mens amplifikation af DNA er opnået i kunstige celler med PCR -metoden, de gentagne cyklusser over et højt temperaturområde skader ofte de sarte molekyler, der udgør den genetiske prøve. Isotermisk forstærkning, som muliggør hurtig amplifikation af specifikke DNA -molekyler ved en lavere temperatur, der forbliver konstant, kunne løse dette problem. I stedet for PCR i løsning, denne metode anvender indkapslet molekylært værktøj designet til gentagelse af kopiering og frigivelse af et enkeltstrenget DNA med en sekvens af syntetisk DNA, der afspejler den oprindelige streng-en proces kendt som DNA-kredsløbsforstærkning.

"I vores undersøgelse, kunstige celler, der forstærker DNA over 5000 gange som reaktion på ydre stimuli ved kropstemperatur blev skabt, "sagde Shinichiro Nomura, lektor på ingeniørhøjskolen, Tohoku University i Japan, og medforfatter af undersøgelsen.

Fordi dette fungerer ved kropstemperatur, "i fremtiden, det vil gøre det muligt for forskere at udvikle kunstige celler og molekylære robotter, der vil være i stand til at diagnosticere kræftceller og tage sig af celler ved at detektere små mængder af signalmolekyler in situ i kroppen, sagde Nomura.

Ud over, timingen, hvormed forstærkning sker, kan kunstigt udløses og reguleres ved hjælp af lys, en proces kendt som fotostimulering. Foto-udløst DNA-amplifikation er spændende, da det ville sætte forskere i stand til at producere og samle molekylære nanostrukturer i kunstige celler med finjusteret præcision over, hvor og hvornår de aktiveres i cellen. Disse kunstige molekylære nanostrukturer kunne i det væsentlige fungere som molekylære robotter, der er i stand til at opdage og bekæmpe sygdom inde fra cellen.

Ifølge Nomura, de næste trin omfatter udvikling af kontrolsystemer i kunstige celler ved hjælp af de amplificerede DNA'er, og i sidste ende påvisning af signalmolekyler, der produceres i kræftceller.

I levende organismer, signalmolekyler spiller en vigtig rolle i cellulære kommunikationsprocesser, der styrer og koordinerer cellulære aktiviteter og handlinger, herunder celleudvikling, vævsreparation og immunrespons mod sygdom. Eventuelle fejl under cellesignalering kan resultere i sygdomme som diabetes, Kræft, og autoimmune sygdomme. Ved at forstå cellesignalering og være i stand til at detektere signalmolekyler og genkende fejl i disse kommunikationssignaler, klinikere kan muligvis identificere og behandle sygdomme mere effektivt.