علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Novel method for early disease detection using DNA droplets
(Tokyo Institute of Technology – بواسطة: معهد طوكيو للتقنية)
ملخص المقالة:
طور علماء في معهد طوكيو للتقنية قطرة حمض نووي حسابية لها القدرة على التعرف على مجموعات معينة من الأحماض النووية الريبية الدقيقة المصنعة كيميائيا التي تعمل كمؤشرات حيوية للأورام ، وستكون نقطة انطلاق للبحث في تطوير خلايا اصطناعية ذكية وربورتات جزيئية. ويمكن للقطرات أن تعطي ناتجًا للحوسبة المنطقية للحمض النووي من خلال فصل مادي لطور قطرات الحمض النووي. وبتطوير قطرة الحمض النووي والتي يمكنها دمج مدخلات ومخرجات متعددة ومعالجتها ، يمكن استخدام هذه الطريقة الجديدة في الكشف المبكر عن المرض وكذلك أنظمة توصيل الأدوية.
( المقالة )
يعتبر تكوين القطرات المائية بفصل الطور السائل عن السائل (أو الحفظ / التمسك1) في الجزيئات الكبيرة موضوعًا ساخنًا في أبحاث علوم الحياة. ومن بين هذه الجزيئات الكبيرة التي تشكل القطرات ، يعد الحمض النووي مثيرًا للاهتمام لأنه يمكن التنبؤ به وقابل للبرمجة ، وهي صفات مفيدة في تقنية النانو. وفي الآونة الأخيرة ، تم استخدام قابلية برمجة الحمض النووي لبناء وتنظيم قطرات الحمض النووي المتكونة من ترابط الأحماض النووية المصممة بالتسلسل.
وقد طورت مجموعة من العلماء في معهد طوكيو للتقنية (Tokyo Tech) بقيادة البروفيسور ماساهيرو تاكينو قطرة حمض نووي حسابية لها القدرة على التعرف على مجموعات معينة من الأحماض النووية الريبي الدقيقة المصنعة كيميائيا (microRNAs – miRNAs) التي تعمل كمؤشرات حيوية للأورام. وباستخدام هذه الجزيئات الدقيقة كمدخلات جزيئية ، يمكن للقطرات أن تعطي ناتجًا للحوسبة المنطقية للحمض النووي من خلال فصل مادي لطور قطرات الحمض النووي.
ويوضح البروفيسور تاكينوي الحاجة إلى مثل هذه الدراسات قائلا: “تم الإبلاغ عن تطبيقات قطرات الحمض النووي في الأجزاء الدقيقة المستوحاة من الخلايا. على الرغم من أن الأنظمة البيولوجية تنظم وظائفها من خلال الجمع بين الاستشعار البيولوجي والحساب المنطقي الجزيئي ، فلا يوجد مؤلفات متاحة حول تكامل قطرة الحمض النووي مع الحوسبة الجزيئية”. وقد تم نشر النتائج التي توصلوا إليها في مجلة “المواد الوظيفية المتقدمة” (Advanced Functional Materials).
ويتطلب تطوير قطرة الحمض النووي هذه سلسلة من التجارب. أولاً ، قاموا بتصميم ثلاثة أنواع من الهياكل النانوية للحمض النووي على شكل “ي” (Y) تسمى “ي-موتيفز أ” (Y-motifs A) و “ب” (B) و “ج” (C) مع 3 نهايات لزجة لصنع قطرات الحمض النووي “أ” و “ب” و “ج”. وعادةً ما تتجمع القطرات المتشابهة معًا تلقائيًا بينما يلزم وجود جزيء “رابط” خاص للانضمام إلى القطرات غير المتشابهة. لذلك ، استخدموا جزيئات الرابط لربط القطرة “أ” بالقطرتين “ب” و “ج” ؛ كانت تسمى جزيئات الرابط هذه روابط “أ ب” و “أ ج” ، على التوالي.
وقاموا في تجربتهم الأولى بتقييم عملية “أند” (AND)2 في خليط القطرات أ ب عن طريق إدخال اثنين من مدخلات الحمض النووي. وفي هذه العملية ، يتم تسجيل وجود المدخلات على أنها 1 بينما يتم تسجيل غيابها على أنها 0.
وقد حدث فصل الطور لمزيج قطرات “أ ب” فقط عند (1،1) ، يعني عند وجود كلا مدخلات الحمض النووي ، مشيرا إلى التطبيق الناجح لعملية “أند AND”. وبعد هذه الدراسة ، قرر العلماء إدخال علامات ورم سرطان الثدي ، الحمض النووي الريبي الدقيق 1 (miRNA-1) والحمض النووي الريبي الدقيق 2 (miRNA-2) ، إلى خليط قطرات “أ ج” كمدخلات لعملية “أند AND”. وكانت العملية “أند AND” ناجحة ، مما يعني أن قطرة الحمض النووي الحاسوبية حددت الجزيئات المجهرية.
وفي التجارب اللاحقة ، أظهر الفريق عمليات “أند AND” و “نوت NOT” في خليط أ ب مع العلامات الحيوية للحمض النووي الريبي الدقيق 3 (miRNA-3) والحمض النووي الريبي الدقيق 4 (miRNA-4) لسرطان الثدي. وأخيرًا ، قاموا بإنشاء خليط قطرات أ ب ج وقدموا جميع المؤشرات الحيوية الأربعة لسرطان الثدي لهذا الحل. ويعتمد فصل الطور في قطرة “أ ب ج” على انشقاق الرابط ، مما ينتج عنه فصل على مرحلتين أو فصل ثلاثي الطور.
وقد مكنت خاصية قطرة “أ ب ج” الباحثين من إثبات القدرة على اكتشاف مجموعة من المؤشرات الحيوية للسرطان المعروفة أو اكتشاف علامات 3 أمراض في وقت واحد. ويرى البروفيسور تاكينوي ، إمكانات هائلة لقطرات الحمض النووي الحسابية. ووفقًا له ، “إذا كان من الممكن تطوير قطيرة الحمض النووي والتي يمكنها دمج مدخلات ومخرجات متعددة ومعالجتها ، فيمكننا استخدامها في الكشف المبكر عن المرض وكذلك أنظمة توصيل الأدوية. تعمل دراستنا الحالية أيضًا كنقطة انطلاق للبحث في تطوير خلايا اصطناعية ذكية وروبوتات الجزيئية”.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2022-06-method-early-disease-dna-droplets.html
لمزيد من المعلومات: جينغ غونغ وآخرون، Computational DNA Droplets Recognizing miRNA Sequence Inputs Based on Liquid–Liquid Phase Separation, Advanced Functional Materials (2022). DOI: 10.1002/adfm.202202322
الهوامش:
- الحفظ هو عملية يخضع خلالها محلول متجانس من جزيئات كبيرة مشحونة لفصل الطور السائل عن السائل ، مما يؤدي إلى مرحلة كثيفة غنية بالبوليمر في الأسفل ومحلول شفاف أعلاه. المصدر: sciencedirect.com/topics/chemistry/coacervation
- يتم تمثيل العملية “أند AND” بنقطة أو بغياب عامل التشغيل. وتستخدم العملية في الغالب في العمليات المنطقية في الإلكترونيات الرقمية وتصميم الدوائر الرقمية. المصدر: circuitglobe.com.
