RNA på en chip

Lige siden biochips - såsom DNA-mikroarrays - kom på banen i 1996, har forskere kørt for at øge deres diagnostiske evner. Nu har et forskerhold ved Yale University ledet af biologiprofessor Ronald Breaker produceret en prototype til et RNA-baseret mikroarray, der lover at sætte et kraftfuldt diagnostisk laboratorium på en chip på størrelse med en krone.

I årevis har Breaker puslet med teorien om, at RNA, ikke DNA, var den grundlæggende komponent i livet for 3,5 milliarder år siden. I modsætning til DNA - er biblioteket, der indeholder vores genetiske kode-RNA, dynamisk, det udfører instruktionerne i DNA's lagerhus og orkestrerer proteinsyntese.

I 1995 begyndte Breaker og hans team at genoplive denne uddøde RNA-verden i et reagensglas og konstruerede med succes RNA-baserede molekylære switches i indsatsen. (En molekylær switch er et molekyle, der er tændt eller slukket af et andet molekyle eller forbindelse.)

Array for RNA

Med snesevis af disse kontakter ved hånden, tænkte Breaker, hvorfor så ikke arrangere dem på en overflade og skabe en række biosensorer, der bruger RNA til at måle eller detektere forbindelser? Ved at konstruere RNA-switchene til at detektere mange forskellige slags forbindelser vidste Breaker, at potentialet i hans array kunne overgå potentialet for en DNA-chip, som identificerer specifikke DNA- eller RNA-sekvenser og intet andet.

For at skabe prototypen placerede Breaker RNA-switcherne på en guldbelagt siliciumoverflade og arrangerede dem i klynger. Hver switch blev designet til kun at binde til et specifikt molekyle - dets mål - og derefter frigive et signal, der identificerer målmolekylet. (I prototypen udgav kontakterne et radioaktivt signal.)

Som rapporteret i april Natur bioteknologi , Breaker og hans team testede rækken af ​​RNA-switche på en række komplekse blandinger. I et eksperiment identificerede de med succes forskellige stammer af E coli findes i bakteriekulturer.

Implikationerne er lokkende. Arrayets evne til samtidig at identificere et potentielt stort antal forbindelser, kombineret med den præcise eksklusivitet af hver switch, tilføjer op til en opskrift på et kraftfuldt og vidtfavnende laboratorium på et stykke silicium på størrelse med en krone.

RNA Superchip

Breakers opfindelse åbner vejen for fremtidige RNA-chips, der er i stand til at afsløre den molekylære sammensætning af komplekse blandinger som blodserum og industriaffald - langt mere omfattende end nuværende biochips.

Avancerede versioner af vores RNA-biochip kan bruges til mange forskellige mål som medicin, toksiner og metabolitter samt proteiner og nukleinsyrer, siger Breaker. De burde være i stand til at detektere næsten alt, som RNA kan fås til at binde sig til.

Desuden indleder den foreløbige succes for Breakers arbejde en ny æra af, hvad der kan kaldes 'aktive arrays', erklærer Gerald Joyce, en molekylærbiolog ved Scripps Research Institute i La Jolla, CA. Det burde faktisk være muligt at konstruere RNA-switches til at gøre langt mere ekstraordinære ting end målidentifikation, siger Breaker. Regulering af genekspression er et eksempel.

En anden fordel ved RNA-switche er deres evne til at modstå det til tider uforudsigelige og barske miljø uden for laboratoriet. Breaker sammenligner dem med en proteinbiochip og siger, at sidstnævnte, hvis den ved et uheld bliver opvarmet, friter som et æg. Proteinerne folder sig ud, og man kan aldrig sætte de komplekse strukturer sammen igen, siger han.

Breakers RNA-switche er blevet konstrueret til at folde tilbage til deres oprindelige form efter opvarmning. Denne snap-back-karakter vil give RNA-biochips en betydelig fordel til brug i mere eksotiske testmiljøer, hævder Breaker.

At komme derfra

Det næste trin for RNA-switche er ret klart, siger Joyce. De skal konstrueres til at frigive et fluorescerende, snarere end et radioaktivt, signal. Denne forbedring ville gøre det muligt for laboratorier at gøre brug af allerede eksisterende udstyr og omgå regulatorisk bureaukrati, hvilket muliggør hurtig udvikling af en RNA-chip indeholdende op til 1.000 switches. Og det er målet med biosensor arrays-massiv parallel analyse på den mindst mulige overflade.

Breaker siger, at hans mål er at sætte kapaciteten hos tusind videnskabsmænd i en chip på størrelse med en krone, mens han genererer de svar, du ønsker tusind gange hurtigere. Ud over biomedicinsk forskning ser han mange anvendelsesmuligheder for en RNA-chip på forskellige områder som kemiteknik, miljøvidenskab og endda biologisk og kemisk krigsførelse.

Der er dog stadig nogle forhindringer, især med fremstillingsomkostninger, den kemiske stabilitet af switchene og nogle af de finere punkter i molekylær genkendelse.

Denne teknologi er så ny, at det er uklart, hvor mange forskellige forbindelser det vil vise sig at være muligt at genkende, siger Andrew Ellington, en biokemiker ved University of Texas. For eksempel er der ingen offentliggjorte eksempler på proteingenkendelse. Derudover er RNA sårbar over for visse kemikalier, der ofte findes i testsituationer, der kan desintegrere en switch.

Breakers team arbejder på løsninger på nogle af disse problemer, såsom at fjerne eventuelle RNA-ødelæggende forbindelser fra testprøver. De arbejder også på at konstruere DNA, så det kan udføre visse RNA-lignende funktioner.

Det kunne gøre de tusinde videnskabsmænd på en chip endnu klogere.

skjule