211service.com
RNA op een chip
Sinds biochips - zoals DNA-microarrays - in 1996 op het toneel verschenen, hebben onderzoekers geracet om hun diagnostische capaciteit te vergroten. Nu heeft een onderzoeksteam aan de Yale University onder leiding van biologieprofessor Ronald Breaker een prototype geproduceerd voor een op RNA gebaseerde microarray die belooft een krachtig diagnostisch laboratorium op een chip ter grootte van een dubbeltje te zetten.
Breaker heeft jarenlang gesleuteld aan de theorie dat RNA, niet DNA, 3,5 miljard jaar geleden de fundamentele component van het leven was. In tegenstelling tot DNA is de bibliotheek met onze genetische code-RNA dynamisch, voert het de instructies uit in de opslagplaats van DNA en orkestreert het de eiwitsynthese.
In 1995 begonnen Breaker en zijn team deze uitgestorven RNA-wereld nieuw leven in te blazen in een reageerbuis en daarbij met succes op RNA gebaseerde moleculaire schakelaars te ontwikkelen. (Een moleculaire schakelaar is een molecuul dat wordt in- of uitgeschakeld door een ander molecuul of verbinding.)
Array voor RNA
Met tientallen van deze schakelaars bij de hand, dacht Breaker, waarom zou je ze niet op een oppervlak plaatsen en een reeks biosensoren maken die RNA gebruiken om verbindingen te meten of te detecteren? Door de RNA-schakelaars te ontwerpen om veel verschillende soorten verbindingen te detecteren, wist Breaker dat het potentieel van zijn array dat van een DNA-chip zou kunnen overtreffen, die specifieke DNA- of RNA-sequenties identificeert en niets anders.
Om het prototype te maken, plaatste Breaker de RNA-schakelaars op een met goud bedekt siliciumoppervlak en rangschikte ze in clusters. Elke schakelaar is ontworpen om alleen aan een specifiek molecuul te binden - zijn doelwit - en om vervolgens een signaal af te geven dat het doelwitmolecuul identificeert. (In het prototype gaven de schakelaars een radioactief signaal af.)
Zoals gemeld in april Natuur Biotechnologie , hebben Breaker en zijn team de reeks RNA-switches getest op een verscheidenheid aan complexe mengsels. In één experiment identificeerden ze met succes verschillende stammen van E coli gevonden in bacterieculturen.
De implicaties zijn aanlokkelijk. Het vermogen van de array om gelijktijdig een potentieel groot aantal verbindingen te identificeren, gecombineerd met de precieze exclusiviteit van elke schakelaar, vormt een recept voor een krachtig en uitgebreid laboratorium op een schijfje silicium ter grootte van een dubbeltje.
RNA-superchip
De uitvinding van Breaker maakt de weg vrij voor toekomstige RNA-chips die de moleculaire samenstelling van complexe mengsels, zoals bloedserum en industrieel afval, veel uitgebreider kunnen onthullen dan de huidige biochips.
Geavanceerde versies van onze RNA-biochip kunnen worden gebruikt voor veel verschillende doelen, zoals medicijnen, toxines en metabolieten, evenals eiwitten en nucleïnezuren, zegt Breaker. Ze zouden bijna alles moeten kunnen detecteren waar RNA aan kan binden.
Bovendien luidt het voorlopige succes van Breakers werk een nieuw tijdperk in van wat men 'actieve arrays' zou kunnen noemen, zegt Gerald Joyce, een moleculair bioloog aan het Scripps Research Institute in La Jolla, CA. Het zou inderdaad mogelijk moeten zijn om RNA-switches te engineeren om veel meer buitengewone dingen te doen dan het identificeren van doelen, zegt Breaker. Het reguleren van genexpressie is een voorbeeld.
Een ander voordeel van RNA-switches is dat ze bestand zijn tegen de soms onvoorspelbare en barre omgeving buiten het laboratorium. Breaker vergelijkt ze met een eiwitbiochip en zegt dat die laatste, als hij per ongeluk verhit wordt, als een ei frituurt. De eiwitten ontvouwen zich en je kunt de complexe structuren nooit meer in elkaar zetten, zegt hij.
De RNA-schakelaars van Breaker zijn zo ontworpen dat ze na verhitting weer in hun oorspronkelijke vorm worden teruggevouwen. Dit snapback-karakter geeft RNA-biochips een aanzienlijk voordeel voor gebruik in meer exotische testomgevingen, beweert Breaker.
Vanaf hier komen
De volgende stap voor RNA-switches is vrij duidelijk, zegt Joyce. Ze moeten zo zijn ontworpen dat ze een fluorescerend, in plaats van een radioactief, signaal afgeven. Door deze verbetering kunnen laboratoria gebruik maken van reeds bestaande apparatuur en administratieve rompslomp omzeilen, waardoor een snelle ontwikkeling van een RNA-chip met maximaal 1.000 schakelaars mogelijk wordt. En dat is het doel van biosensorarrays - massale parallelle analyse op het kleinst mogelijke oppervlak.
Breaker zegt dat het zijn doel is om de capaciteit van duizend wetenschappers in een chip ter grootte van een dubbeltje te stoppen en tegelijkertijd de antwoorden die je wilt duizend keer sneller te genereren. Naast biomedisch onderzoek ziet hij veel toepassingen voor een RNA-chip op verschillende gebieden, zoals chemische technologie, milieuwetenschappen en zelfs biologische en chemische oorlogsvoering.
Er zijn echter nog steeds enkele obstakels, met name met de fabricagekosten, de chemische stabiliteit van de schakelaars en enkele van de fijnere punten van moleculaire herkenning.
Deze technologie is zo nieuw dat het onduidelijk is hoeveel verschillende verbindingen het mogelijk zal blijken te herkennen, zegt Andrew Ellington, een biochemicus aan de Universiteit van Texas. Er zijn bijvoorbeeld geen gepubliceerde voorbeelden van eiwitherkenning. Bovendien is RNA kwetsbaar voor bepaalde chemicaliën die vaak in testsituaties worden aangetroffen en die een schakelaar kunnen desintegreren.
Het team van Breaker werkt aan oplossingen voor sommige van deze problemen, zoals het verwijderen van RNA-vernietigende verbindingen uit testmonsters. Ze werken ook aan het manipuleren van DNA zodat het bepaalde RNA-achtige functies kan uitvoeren.
Dat zou die duizend wetenschappers op een chip nog slimmer kunnen maken.