211service.com
RNA på ett chip
Ända sedan biochips - som DNA-mikroarrayer - kom på scenen 1996, har forskare tävlat om att öka sin diagnostiska förmåga. Nu har ett forskarlag vid Yale University under ledning av biologiprofessorn Ronald Breaker tagit fram en prototyp för en RNA-baserad mikroarray som lovar att sätta ett kraftfullt diagnostiskt labb på ett chip i storleken av en krona.
I flera år har Breaker pysslat med teorin att RNA, inte DNA, var den grundläggande komponenten i livet för 3,5 miljarder år sedan. Till skillnad från DNA - är biblioteket som innehåller vår genetiska kod-RNA dynamiskt, det utför instruktionerna i DNA:s lager och orkestrerar proteinsyntes.
1995 började Breaker och hans team att återuppliva denna utdöda RNA-värld i ett provrör och framgångsrikt konstruerade RNA-baserade molekylära switchar i arbetet. (En molekylär switch är en molekyl som slås på eller av av en annan molekyl eller förening.)
Array för RNA
Med dussintals av dessa brytare till hands, tänkte Breaker, varför inte placera dem på en yta och skapa en rad biosensorer som använder RNA för att mäta eller detektera föreningar? Genom att konstruera RNA-switcharna för att upptäcka många olika typer av föreningar visste Breaker att potentialen hos hans array kunde överträffa potentialen hos ett DNA-chip, som identifierar specifika DNA- eller RNA-sekvenser och inget annat.
För att skapa prototypen placerade Breaker RNA-brytarna på en guldbelagd kiselyta och arrangerade dem i kluster. Varje switch designades för att endast binda till en specifik molekyl - dess mål - och sedan för att frigöra en signal som identifierar målmolekylen. (I prototypen släppte omkopplarna en radioaktiv signal.)
Som rapporterats i april Naturens bioteknik , testade Breaker och hans team raden av RNA-switchar på en mängd olika komplexa blandningar. I ett experiment identifierade de framgångsrikt olika stammar av E coli finns i bakteriekulturer.
Konsekvenserna är lockande. Arrayens förmåga att samtidigt identifiera ett potentiellt stort antal föreningar, kombinerat med den exakta exklusiviteten för varje brytare, lägger till ett recept för ett kraftfullt och omfattande laboratorium på en kiselskiva i storleken av en krona.
RNA Superchip
Breakers uppfinning öppnar vägen för framtida RNA-chips som kan avslöja den molekylära sammansättningen av komplexa blandningar som blodserum och industriavfall – mycket mer omfattande än nuvarande biochips.
Avancerade versioner av vårt RNA-biochip kan användas för många olika mål som läkemedel, toxiner och metaboliter, såväl som proteiner och nukleinsyror, säger Breaker. De borde kunna upptäcka nästan allt som RNA kan fås att binda till.
Dessutom inleder den preliminära framgången för Breakers arbete en ny era av vad som kan kallas 'aktiva arrayer', förklarar Gerald Joyce, en molekylärbiolog vid Scripps Research Institute i La Jolla, CA. Det borde faktiskt vara möjligt att konstruera RNA-switchar för att göra mycket mer extraordinära saker än målidentifiering, säger Breaker. Reglering av genuttryck är ett exempel.
En annan fördel med RNA-switchar är deras förmåga att motstå den ibland oförutsägbara och hårda miljön utanför labbet. Breaker jämför dem med ett proteinbiochip och säger att det senare, om det värms upp av misstag, frites som ett ägg. Proteinerna vecklas ut och man kan aldrig sätta ihop de komplexa strukturerna igen, säger han.
Breakers RNA-switchar har konstruerats för att vika tillbaka till sin ursprungliga form efter uppvärmning. Denna snap-back karaktär kommer att ge RNA-biochips en avsevärd fördel för användning i mer exotiska testmiljöer, hävdar Breaker.
Att ta sig dit härifrån
Nästa steg för RNA-switchar är ganska tydligt, säger Joyce. De måste konstrueras för att frigöra en fluorescerande, snarare än en radioaktiv, signal. Denna förbättring skulle göra det möjligt för laboratorier att använda redan existerande utrustning och kringgå byråkrati, vilket möjliggör snabb utveckling av ett RNA-chip som innehåller upp till 1 000 switchar. Och det är målet med massiv parallellanalys med biosensormatriser på minsta möjliga yta.
Breaker säger att hans mål är att sätta kapaciteten hos tusen forskare i ett chip på en krona och samtidigt generera de svar du vill ha tusen gånger snabbare. Förutom biomedicinsk forskning ser han många användningsområden för ett RNA-chip inom olika områden som kemiteknik, miljövetenskap och till och med biologiskt och kemiskt krigförsvar.
Det finns dock fortfarande några hinder, särskilt när det gäller tillverkningskostnader, brytarnas kemiska stabilitet och några av de finare punkterna med molekylär igenkänning.
Den här tekniken är så ny att det är oklart hur många olika föreningar det kommer att visa sig vara möjligt att känna igen, säger Andrew Ellington, biokemist vid University of Texas. Till exempel finns det inga publicerade exempel på proteinigenkänning. Dessutom är RNA sårbart för vissa kemikalier som ofta finns i testsituationer som kan sönderdela en switch.
Breakers team arbetar med lösningar på några av dessa problem, som att rensa alla RNA-förstörande föreningar från testprover. De arbetar också med att konstruera DNA så att det kan utföra vissa RNA-liknande funktioner.
Det kan göra de tusen forskarna på ett chip ännu smartare.