Polacy skrócą analizę DNA bakterii z kilku tygodni do kilku godzin

Trzech doktorantów z Uniwersytetu Warszawskiego finalizuje prace nad systemem internetowym, który skróci etap identyfikowania i opisywania funkcji genów bakterii z kilkudziesięciu dni do kilku godzin. Nowe narzędzie ma znacząco skrócić początkowy etap badań w projektach naukowych wykorzystujących analizę DNA bakterii.

Foto: pixabay.com

Mikołaj Dziurzyński, Przemysław Decewicz i Adrian Górecki to zespół doktorantów z Zakładu Genetyki Bakterii z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego, pracujący nad systemem internetowym do szybkiego i dokładnego opisywania sekwencji DNA bakterii.

Dzięki jego pracy wkrótce uruchomiony zostanie serwis internetowy, z którego będzie mógł skorzystać każdy naukowiec wykorzystujący w swoich badaniach analizy genetyczne bakterii. Główną zaletą systemu ma być dostarczenie wysokiej jakości informacji zwrotnej w zaledwie kilka godzin, czyli wielokrotnie szybciej w porównaniu ze żmudnymi i zajmującymi do kilkudziesięciu dni ręcznymi analizami sekwencji genomowych bakterii.

Łatwiejsze badania nad szczepionkami?

Obecnie niemal wszystkie badania nad szczepionkami, lekami czy enzymami rozpoczynają się od sekwencjonowania DNA bakterii, m.in. w ramach tzw. odwrotnej wakcynologii. Powszechne wykorzystanie w nauce technologii wysokoprzepustowego sekwencjonowania spowodowało, że badacze mają dziś do dyspozycji różnego rodzaju bazy zawierające ogromną liczbę zidentyfikowanych już sekwencji DNA.

Nie są jednak w stanie szybko i w sposób wiarygodny przeanalizować dostępnych informacji pod kątem funkcji poszczególnych genów, tym bardziej, że w zawartych w bazach opisach często zdarzają się błędy. – Jak dotąd nie powstały narzędzia automatyczne, które dostarczałyby w pełni wiarygodne wyniki sekwencjonowania w postaci opisanych funkcji genów. Z kolei ich manualna adnotacja (czyli przypisanie im funkcji – przyp. red.) jest bardzo czasochłonna – mówi mgr Przemysław Decewicz z Wydziału Biologii UW.

Oszczędność czasu to fakt

– Na opisanie jednego genomu bakterii trzeba pracować po 8-10 godzin dziennie przez 20 do 30 dni. A trzeba pamiętać, że w tej chwili wielu naukowców analizuje genomy kilkudziesięciu do kilkuset bakterii w ramach jednego projektu. Dzięki wykorzystaniu naszego systemu internetowego potrzebny na to czas można będzie skrócić do zaledwie kilku, maksymalnie kilkunastu godzin. Wstępne wyniki zapytania otrzymamy już w ciągu kilku godzin – dodaje.

– W założeniu systemu chcieliśmy połączyć zalety dostępnych metod analizy danych uzyskiwanych w trakcie sekwencjonowania. Zbudowaliśmy półautomatyczny system ekspercki i obudowaliśmy go bardzo intuicyjnym interfejsem, za pomocą którego czas potrzebny na analizy skraca się z kilku tygodni do zaledwie kilku godzin. W rezultacie jesteśmy w stanie zaoferować całemu światu naukowemu niedrogą, bardzo szybką i intuicyjną przestrzeń do wiarygodnego określania funkcji analizowanych sekwencji DNA – mówi mgr Mikołaj Dziurzyński.

Przewaga konkurencyjna polskiego rozwiązania

W internecie dostępne są ogromne bazy danych zawierające opisane sekwencje DNA. System odwołuje się do tych baz integrując dane, a dodatkowo każdy zwrot informacji z bazy jest analizowany przez eksperta. Udział eksperta pozwala wyeliminować problem trapiący obecnie działające w pełni automatyczne systemy – wysoką podatność na błędy. Dosyć często zdarza się bowiem, że poszczególne sekwencje są w bazach danych opisane niepoprawnie. Informacje takie są następnie powielane w kolejnych badaniach.

Udział człowieka w przekazywaniu informacji zwrotnej pozwoli nie tylko upewnić się, że opis genu jest prawidłowy, ale także umożliwi poprawę błędnych informacji w bazie danych. Twórcy systemu zapowiadają, że w podstawowej wersji rozwiązanie będzie bezpłatne. Wersja pełna będzie już komercyjna z zastosowaniem modelu mikropłatności. Obsługa rozwiązania jest intuicyjna. Do rozpoczęcia jego użytkowania nie potrzeba dodatkowych szkoleń.

Testy trwają

Wystarczy przesłać interesującą sekwencję za pośrednictwem strony internetowej, by po kilku godzinach otrzymać wynik. Na rynku obecnie są już narzędzia oferujące podobne funkcje. Nie są one jednak dostępne online, ich interfejs jest skomplikowany, a korzystanie z usług wiąże się z koniecznością ponoszenia stosunkowo wysokich opłat. Z kolei decydując się na adnotację manualną, naukowcy muszą korzystać z kilkunastu różnych narzędzi – obsługi każdego z nich muszą się wcześniej nauczyć.

System znajduje się obecnie w fazie testów. W ciągu najbliższych miesięcy, dzięki finansowemu wsparciu uzyskanemu z Uniwersyteckiego Ośrodka Transferu Technologii (UOTT), rozwiązanie będzie rozwijane i zostanie udostępnione światu naukowemu. – Wkrótce możliwa będzie komercjalizacja powstającego serwisu. Jego skalowalność praktycznie nie ma ograniczeń. Moc obliczeniowa będzie zwiększana odpowiednio do wzrostu zapotrzebowania. Sprawą kluczową na etapie komercjalizacji będzie propagowanie usług w szerokim świecie naukowym, który w swoich badaniach analizuje sekwencje DNA bakterii – mówi Robert Dwiliński, dyrektor Uniwersyteckiego Ośrodka Transferu Technologii.

Poszukiwania superbakterii

Naukowcy na całym świecie poszukują bakterii, które pomogą w rozwiązywaniu ważnych problemów, z jakimi mierzy się ludzkość. Jednym z nich jest zanieczyszczenie środowiska. Na ziemi przybywa obszarów, które z powodu zanieczyszczeń nie mogą być użytkowane. Coraz częściej przywraca się je do stanu pierwotnego przy użyciu bakterii, czyli stosuje biomerediację.  Poszukuje się genów, kodujących białka zdolne do rozkładu określonych związków toksycznych. Kiedy znajdzie się odpowiednią sekwencję DNA, można ją przenieść do bakterii, które najlepiej radzą sobie w danym środowisku.

Co więcej, geny w bakteriach można kumulować, co pozwala stworzyć dla danego środowiska superbakterię, która szybko i efektywnie pozwoli je oczyścić, a następnie zginie, ponieważ zabraknie jej pożywienia. Podobnie jest w przypadku tzw. antygenów. Kiedy mamy do czynienia z bakteriami zagrażającymi życiu człowieka, poszukuje się najbardziej charakterystycznych dla tych bakterii białek. Kiedy uda się odnaleźć geny powiązane z danym białkiem, można zaprojektować celowaną terapię. Opracowany na UW system ma za zadanie znacznie przyspieszać pracę naukowców poszukujących określonych genów w bakteriach.

Sekwencjonowanie to podstawa

Sekwencjonowanie to technika, która pojawiła się w latach 60-tych XX w. Dekadę po odkryciu DNA opracowano pierwsze techniki jego odczytywania. Z czasem pojawiały się nowe, bardziej precyzyjne i szybsze techniki sekwencjonowania DNA. W 2000 r. zakończony został projekt sekwencjonowania ludzkiego genomu. Kosztował kilka miliardów dolarów i zajął kilka lat. Dzisiaj dzięki pojawieniu się wysokoprzepustowych technologii, koszt sekwencjonowania ludzkiego genomu nie przekracza tysiąca dolarów.

Sekwencjonowanie DNA to obecnie technologia względnie tania i szybka. Żyjemy w erze, w której w krótkim czasie, dzięki wysoko przepustowemu sekwencjonowaniu można uzyskać ogromną liczbę sekwencji. Metoda jest powszechnie dostępna. Same sekwencje nie dostarczają jednak wartościowych informacji. Wąskim gardłem jest analiza sekwencji i opisywanie ich funkcji. Poprawność wyników na tym etapie determinuje sukces dalszych badań. Wyjście ze złych założeń sprawia, że wnioski także są niepoprawne.

Zbawienne enzymy

Dobrym przykładem pokazującym znaczenie sekwencjonowania DNA jest warty 7 mld USD rocznie rynek enzymów. Przeciętny Kowalski niewiele o nich wie, ale codziennie korzysta z ich dobrodziejstw. Enzymy to białka występujące w każdej komórce, które pełnią rozmaite funkcje. Mogą przykładowo rozkładać związki chemiczne, przekształcać je, wytwarzać witaminy, mogą decydować o tym, że organizm jest odporny na wirusy lub jest zdolny do przeżycia w określonym środowisku.

– Kiedy nie było technologii wysokoprzepustowych, typowanie enzymów odbywało się eksperymentalnie, w laboratorium. Konieczne było wyizolowanie danego białka i sprawdzenie jego funkcji. Wymagało to ogromnych nakładów finansowych nie gwarantując sukcesu – tłumaczy mgr Adrian Górecki. – Dzięki wysokoprzepustowemu sekwencjonowaniu można określić fragment DNA, który koduje najbardziej interesujący badacza enzym. W ciągu kilku dni można wytypować fragment, na którym powinno się prowadzić dalsze prace – dodaje.