Ученые Университета Торонто (U of T) разработали принципиально новый метод анализа метаболитов, открывающий беспрецедентные возможности для медицины и биотехнологий. Исследование, опубликованное в престижном журнале Nature Biotechnology, представляет платформу "smol-seq" (сокращение от "small molecule sequencing" – секвенирование малых молекул), которая использует мощь ДНК-секвенирования для быстрого и точного определения концентрации сотен метаболитов одновременно.
В основе метода "smol-seq" лежит использование аптамеров – коротких цепочек ДНК, способных специфически связываться с определенными молекулами-мишенями. Каждый аптамер, разработанный командой под руководством профессора Эндрю Фрейзера (факультет молекулярной генетики, Медицинский факультет Темерти, U of T) и первого автора статьи Джун Тан (Центр клеточных и биомолекулярных исследований Доннелли, U of T), несет уникальный ДНК-штрихкод.
Принцип действия "smol-seq" удивительно прост и эффективен. Когда аптамер связывается со своей мишенью, например, с молекулой глюкозы или гормоном стресса кортизолом, его структура изменяется. Это изменение приводит к высвобождению прикрепленного к нему ДНК-штрихкода. Чем больше определенного метаболита присутствует в образце, тем больше соответствующих штрихкодов высвобождается. Далее, секвенируя эти высвободившиеся штрихкоды, исследователи могут точно определить, какие метаболиты и в каких концентрациях присутствовали в образце.
Джун Тан подчеркивает, что измерение метаболитов крайне важно для понимания процессов, происходящих в организме, и диагностики различных заболеваний. Однако традиционный метод – масс-спектрометрия, хоть и является «золотым стандартом», менее доступен и значительно медленнее, чем методы, основанные на секвенировании ДНК.
«Мы стремились использовать невероятную скорость современного ДНК-секвенирования для анализа метаболитов», – объясняет Джун Тан. До появления "smol-seq" аптамеры уже использовались для измерения метаболитов, но эти методы позволяли анализировать лишь несколько соединений одновременно. Прорыв, совершенный командой из Торонто, заключается в применении ДНК-штрихкодов, что позволяет измерять сотни и даже тысячи метаболитов одновременно.
По словам Эндрю Фрейзера, "smol-seq" способен кардинально изменить подходы в диагностике и биотехнологических исследованиях, сделав анализ метаболитов таким же простым и быстрым, как секвенирование ДНК. Скорость ДНК-секвенирования за последние 20 лет выросла в миллионы раз, и "smol-seq" позволяет использовать этот колоссальный прогресс.
В ближайших планах исследователей – разработка аптамеров для метаболитов, представляющих интерес для медицины. Расширение базы данных аптамеров, в свою очередь, откроет путь к применению машинного обучения для предсказания дизайна аптамеров, способных связываться с новыми метаболитами-мишенями. Также ведется работа по тонкой настройке платформы на уровне нуклеиновых кислот для повышения точности связывания аптамеров с целевыми молекулами, что особенно важно при увеличении числа анализируемых метаболитов.
Изображение носит иллюстративный характер
В основе метода "smol-seq" лежит использование аптамеров – коротких цепочек ДНК, способных специфически связываться с определенными молекулами-мишенями. Каждый аптамер, разработанный командой под руководством профессора Эндрю Фрейзера (факультет молекулярной генетики, Медицинский факультет Темерти, U of T) и первого автора статьи Джун Тан (Центр клеточных и биомолекулярных исследований Доннелли, U of T), несет уникальный ДНК-штрихкод.
Принцип действия "smol-seq" удивительно прост и эффективен. Когда аптамер связывается со своей мишенью, например, с молекулой глюкозы или гормоном стресса кортизолом, его структура изменяется. Это изменение приводит к высвобождению прикрепленного к нему ДНК-штрихкода. Чем больше определенного метаболита присутствует в образце, тем больше соответствующих штрихкодов высвобождается. Далее, секвенируя эти высвободившиеся штрихкоды, исследователи могут точно определить, какие метаболиты и в каких концентрациях присутствовали в образце.
Джун Тан подчеркивает, что измерение метаболитов крайне важно для понимания процессов, происходящих в организме, и диагностики различных заболеваний. Однако традиционный метод – масс-спектрометрия, хоть и является «золотым стандартом», менее доступен и значительно медленнее, чем методы, основанные на секвенировании ДНК.
«Мы стремились использовать невероятную скорость современного ДНК-секвенирования для анализа метаболитов», – объясняет Джун Тан. До появления "smol-seq" аптамеры уже использовались для измерения метаболитов, но эти методы позволяли анализировать лишь несколько соединений одновременно. Прорыв, совершенный командой из Торонто, заключается в применении ДНК-штрихкодов, что позволяет измерять сотни и даже тысячи метаболитов одновременно.
По словам Эндрю Фрейзера, "smol-seq" способен кардинально изменить подходы в диагностике и биотехнологических исследованиях, сделав анализ метаболитов таким же простым и быстрым, как секвенирование ДНК. Скорость ДНК-секвенирования за последние 20 лет выросла в миллионы раз, и "smol-seq" позволяет использовать этот колоссальный прогресс.
В ближайших планах исследователей – разработка аптамеров для метаболитов, представляющих интерес для медицины. Расширение базы данных аптамеров, в свою очередь, откроет путь к применению машинного обучения для предсказания дизайна аптамеров, способных связываться с новыми метаболитами-мишенями. Также ведется работа по тонкой настройке платформы на уровне нуклеиновых кислот для повышения точности связывания аптамеров с целевыми молекулами, что особенно важно при увеличении числа анализируемых метаболитов.
