לרצף את הדנ"א

חוקרי הטכניון הצליחו לפתח שיטה חלוצית המבוססת על ננו־חרירים (חורים בגודל 2־5 ננו־מטר) במצב מוצק בשבבי סיליקון, המשמשים כננו־חיישנים לביו־פולימרים, לצורך פיתוח טכנולוגיה חדישה לריצוף מולקולות דנ"א בשעה שהן עוברות דרכם. המחקר פורסם בכתב העת Nature Nanotechnology. "ננו־חרירים הם חיישנים מתקדמים לגילוי ולאפיון מולקולות ביולוגיות ברמת המולקולה הבודדת. כיום קיימת הסכמה רחבה שטכניקות מתקדמות לריצוף דנ״א באופן מהיר, זול ומדויק יחוללו מהפכה בשירותי הבריאות ובמחקר הביו־רפואי, וכן יקדמו פיתוח של תרופות, רפואה מונעת ורפואה אישית", אומר פרופ' עמית מלר מהפקולטה להנדסה ביו־רפואית בטכניון וחבר מרכז הננו־טכנולוגיה. "באמצעות גישה רוטינית לרצף השלם של הגנום של האדם ושל אורגניזמים אחרים בגופנו, יוכל הרופא לקבוע את התגובה הצפויה של מטופל לתרופה זו או אחרת, לאבחן סבירות של הופעת מחלה כמו סרטן או לאבחן מחלות זיהומיות ביתר דיוק".

למטרה זו השקיע פרופ' מלר חלק ניכר מזמנו בעשור האחרון בפיתוח ובהבנת השיטה. כעת גילה מלר, עם צוות חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת בוסטון בארצות הברית, דרך פשוטה לשפר את הרגישות, הדיוק והמהירות של שיטה זו, ובכך להפוך אותה לאופציה ישימה ומועילה אף יותר בריצוף דנ"א. נוסף על כך, הצוות גילה שמערכת הננו־חרירים מסוגלת גם לאפיין באופן ישיר חלבונים במצבם הרגיל (״נטיבי״) וברמת המולקולה הבודדת. דוגמה בולטת לכך היא אפיון של החלבון אוביקוויטין במצבו הרגיל.

צפים כי מחקר זה יוביל לשיפור נוסף ברגישות ובדיוק בריצוף דנ"א ולפריצות דרך נוספות בזיהוי חלבונים בודדים באופן מהיר וזול
צילום: שאטרסטוק

מיקוד לייזר ירוק

צוות החוקרים מצא כי מיקוד לייזר ירוק בעוצמות נמוכות מאוד (שווה ערך למצביע לייזר פשוט) על ננו־חור המיוצר בממברנת סיליקון ניטריד דקיקה, יוצר אפקט אופטו־אלקטרי הגורם להגברת הזרם בקרבת דופנות החור, השרוי בתמיסה אלקטרוליטית (מי מלח). כאשר הזרם גובר, הוא סוחף עמו את האלקטרוליט בכיוון ההפוך מזה שבו נכנסות דגימות הדנ"א. המים הזורמים הופכים למחסום המאט את מעבר הדנ"א בחור (ראו איור). תופעה זו משפרת באופן דרמטי את הרזולוציה של החיישנים בקריאת הדנ"א כאשר הוא חוצה את החור.

אתגר נוסף העומד בפני החוקרים הוא העברת חלבונים דרך הננו־חורים ואפיונם. מיקוד הלייזר על הננו־חור מאפשר באותו האופן להאט גם את מעבר החלבונים דרכו, ובכך מהווה פריצת דרך לזיהוי של חלבונים בודדים קטנים שאינו אפשרי בדרכים המקובלות. על פי מלר "התופעה שאנחנו מתארים במאמר – מטען פני שטח הנוצר על ידי האור – מאפשרת להדליק ולכבות באופן מיידי את ה'בלמים' הפועלים על ביו־פולימרים בודדים כגון דנ"א או חלבונים העוברים דרך הננו־חורים. יכולת זו מגבירה באופן דרמטי את הרזולוציה של ננו־חורים במצב מוצק, חורים שאפשר לשלב בקלות בריצוף דנ"א עתידי המבוסס עליהם ובטכנולוגיות לזיהוי חלבונים. כאשר הביו־פולימר עובר דרך הננו־חיישן במהירות גבוהה מדי אי אפשר לקבל מידע מדויק לגביו מהאות המתקבל, לכן האטת הדנ"א חיונית לריצוף דנ"א ורנ"א באמצעות הננו־חורים".

"המטרה היא להחזיק את זוגות הבסיסים של הנוקלאוטידים בחלל החישה של הננו־חורים כדי שימסרו את המידע האמור (כלומר יקבעו אם זה A, C, G או T)", אומרת אליסון סקווירס, סטודנטית מאוניברסיטת בוסטון, ממחברי המאמר שעבדה גם בטכניון במסגרת שיתוף הפעולה. "כדי להצליח במשימה, האות צריך להיות שונה במידה מספקת לכל רצף הדנ"א".

המחקר עשוי לגרום להפכה ברופאה האישית
צילום: שאטרסטוק

פרופ' מלר וצוותו אפיינו את שיעור הגידול בזרם בנוכחות תאורת לייזר משתנה וחורים בגדלים שונים. המטרה הבאה שלהם היא לחקור באופן מפורט את המנגנון שבבסיס הגברת הזרימה המשטחית כשהלייזר הירוק מכוון לננו־חור. מצפים כי מחקר זה יוביל לשיפור נוסף ברגישות ובדיוק בריצוף דנ"א ולפריצות דרך נוספות בזיהוי חלבונים בודדים באופן מהיר וזול.

המחקר במעבדת מלר נתמך בחלקו על ידי מרכז המצוינות לביופיזיקה (-Core=I) בתמיכת הקרן הלאומית למדעים והות״ת בישראל.