Naukowcy z Uniwersytetu w Toronto opracowali nową metodę wykorzystującą sekwencjonowanie DNA do pomiaru metabolitów. Dzięki temu innowacyjnemu podejściu możliwe jest szybkie i precyzyjne analizowanie biologicznych związków chemicznych, takich jak cukry, witaminy, hormony i setki innych substancji kluczowych dla zdrowia człowieka.
Nowa platforma, nazwana „smol-seq”, bazuje na krótkich fragmentach DNA zwanych aptamerami, które zostały zaprojektowane tak, aby wiązać się z konkretnymi metabolitami. Każdy aptamer zawiera unikalny kod DNA, który działa jako znacznik identyfikacyjny. Metoda ta stanowi przełom w analizie molekularnej, ponieważ pozwala w prosty sposób identyfikować i mierzyć stężenie różnych substancji w organizmie.
Jak podkreśla June Tan, główna autorka badania: „Pomiar metabolitów jest niezwykle istotny dla naszego zdrowia, ale jednocześnie stanowi duże wyzwanie naukowe, ponieważ obejmuje szeroki zakres różnych cząsteczek. Do tej pory złotym standardem była spektrometria masowa, jednak jest to metoda czasochłonna i wymagająca specjalistycznego sprzętu. Chcieliśmy opracować metodę, która wykorzystuje sekwencjonowanie DNA, aby skorzystać z jego niesamowitej mocy obliczeniowej”.
Gdy aptamer napotka docelowy metabolit, jego struktura ulega zmianie, co prowadzi do uwolnienia przypisanego mu kodu DNA. Na przykład aptamer wykrywający glukozę uwalnia jeden typ kodu, podczas gdy aptamer rozpoznający hormon stresu – kortyzol – uwalnia inny. Dzięki temu, analizując uwolnione kody DNA, można precyzyjnie określić, które metabolity były obecne w próbce, a także oszacować ich ilość. Im więcej danej substancji, tym więcej odpowiadających jej kodów zostaje wykrytych w procesie sekwencjonowania.
Już wcześniej naukowcy stosowali aptamery do pomiaru metabolitów, jednak zazwyczaj ograniczały się one do wykrywania tylko kilku substancji jednocześnie. „Zrozumieliśmy, że jeśli wykorzystamy DNA do znakowania metabolitów, możemy mierzyć setki, a nawet tysiące różnych cząsteczek jednocześnie” – wyjaśnia Tan.
Kolejnym krokiem w rozwoju platformy smol-seq jest projektowanie aptamerów przeznaczonych do wykrywania metabolitów o istotnym znaczeniu biomedycznym. W miarę powiększania się bazy danych tych cząsteczek, naukowcy planują wykorzystać algorytmy uczenia maszynowego do przewidywania nowych projektów aptamerów, które będą mogły wiązać się z kolejnymi rodzajami metabolitów.
Naukowcy zamierzają także ulepszać technologię, poprawiając precyzję wiązania aptamerów z ich celami. Optymalizacja ta będzie kluczowa, zwłaszcza w kontekście rosnącej liczby analizowanych substancji. Jednym z kierunków rozwoju jest dostosowanie aptamerów na poziomie kwasów nukleinowych, co umożliwi jeszcze dokładniejszą identyfikację i badanie metabolitów.
Andrew Fraser, główny badacz i profesor genetyki molekularnej na Uniwersytecie w Toronto, podkreśla znaczenie tego przełomu dla przyszłości diagnostyki i biotechnologii: „Sekwencjonowanie DNA stało się miliony razy szybsze niż jeszcze 20 lat temu, dlatego chcieliśmy wykorzystać tę technologię do wykrywania metabolitów. Smol-seq może całkowicie odmienić świat medycyny i badań biologicznych, pozwalając na szybkie i nieskomplikowane analizy – tak łatwe, jak dziś jest sekwencjonowanie DNA”.
Przeprowadzone badania zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Nature Biotechnology i wspierane przez Kanadyjski Instytut Badań nad Zdrowiem. Opracowana metoda otwiera nowe możliwości w dziedzinie diagnostyki laboratoryjnej oraz badań nad metabolizmem, co może przyczynić się do postępu w medycynie spersonalizowanej, monitorowaniu zdrowia i opracowywaniu nowych terapii.
