أبعد من التسلسل

يتعاون البروفيسور أميت ميلر من كلية الهندسة الطبية الحيوية في التخنيون، الذي طور طريقة مبتكرة لرسم خرائط جزيئات الحمض النووي، مع باحثين من جميع أنحاء أوروبا كجزء من اتحاد BeyondSeq. المهمة: تحديد موقع المعلومات اللاجينية، التي قد تساعد في التشخيص المبكر للسرطان والأمراض الأخرى

في نهاية شهر يونيو، تم افتتاح اتحاد BeyondSeq الدولي في إسرائيل، والذي يشارك فيه التخنيون وجامعة تل أبيب وخمس هيئات من بريطانيا العظمى والسويد وبلجيكا وفرنسا. الهدف: تطوير طرق لفك رموز المعلومات اللاجينية من العينات السريرية. تأسست BeyondSeq ("Beyond Sequencing") بفضل منحة قدرها 6 ملايين يورو من برنامج "Horizon 2020" - البرنامج الإطاري للاتحاد الأوروبي، الذي اختارها هي و7 مجموعات بحثية أخرى من بين 450 مجموعة قدمت مقترحات.

يوضح البروفيسور أميت ميلر من كلية الهندسة الطبية الحيوية، الذي يرأس المجموعة الفنية في الكونسورتيوم: "يعد تسلسل الجينوم أحد أكثر الثورات دراماتيكية في مجال علوم الحياة والطب". "ومع ذلك، فإن التسلسل الحالي يسمح برسم خرائط للتسلسل الجينومي الأساسي (ممثلًا بالحروف A، C، G، T) ولكن ليس للمعلومات اللاجينية. علاوة على ذلك، يؤدي تكرار الحمض النووي إلى حدوث أخطاء في قراءة التسلسل، ويمحو المعلومات اللاجينية تمامًا، وينطوي على تكاليف عالية. يتم حفظ كل هذا في طريقتنا، والتي تسمح أيضًا باستخدام عينات صغيرة تتكون من عدد قليل من الجزيئات." وبحسب التقديرات، سيتم استخدام هذه الطريقة للتشخيص المبكر للأمراض ومراقبة تطورها دون الحاجة إلى إجراء جراحي.

علم الوراثة اللاجينية هو فرع يدرس عمليات التغير الكيميائي في قواعد الحمض النووي ولكنه لا يتضمن تغيير تسلسل الحمض النووي. ويتميز الإبيجينوم بالمرونة ويتغير نتيجة المؤثرات البيئية مثل التغذية والإجهاد، والتعرف المبكر على التغيرات التي تنطبق عليه قد يؤدي إلى علاج مبكر وأكثر فعالية للأمراض المشتقة منها، بما في ذلك السرطان.

يوضح البروفيسور ميلر: "مع تطور أبحاث الوراثة اللاجينية، تتضح أهميتها الهائلة، نظرًا لأن اللاجينوم له عواقب سريرية عديدة ومثيرة". "إن فك رموز الديناميكيات اللاجينية يمثل تحديًا علميًا كبيرًا، حيث أن طرق التسلسل الحالية لا تكشف عن هذه المعلومات بشكل مباشر. هذه إحدى الفجوات التي جاء اتحادنا لسدها: تطوير طرق لقراءة المعلومات اللاجينية على طول جزيئات الحمض النووي الفردية وفك شفرتها محوسبًا في السياق السريري، أي تشخيص الاضطرابات المرضية والعلامات الأولى لسرطان القولون وسرطان الرئة. ".

قام مختبر ميلر بتطوير تقنية قراءة الحمض النووي باستخدام فوهات نانومترية، والتي تكون سميكة مثل جزيء الحمض النووي (حوالي 2 نانومتر)، محفورة في طبقات رقيقة من السيليكون. تنجذب جزيئات الحمض النووي، المبنية على شكل سلاسل مشحونة بشحنة كهربائية سالبة، بالوسائل الكهرومغناطيسية نحو الثقوب، ويتم ربط أحد أطراف السلسلة في ثقب النانو بمساعدة القوة الكهربائية. أثناء مرور السلسلة عبر الثقب، يتم إجراء مسح للجزيء (بوسائل بصرية أو كهربائية).

بدأ البروفيسور ميلر العمل في مجال الفيزياء الحيوية للجزيئات المفردة خلال فترة الدكتوراه في معهد وايزمان للعلوم. بعد ذلك درس (ما بعد الدكتوراه) في مختبرين: في قسم الوراثة الجزيئية في معهد وايزمان وفي جامعة هارفارد بالولايات المتحدة الأمريكية (علم الأحياء)، حيث بدأ العمل على فوهات النانو. ثم بقي كباحث كبير في معهد رولاند في جامعة هارفارد لمدة 8 سنوات، وترأس مختبر الفيزياء الحيوية للجزيئات المفردة. ومن هناك انتقل إلى جامعة بوسطن كأستاذ مشارك دائم في قسم الهندسة الطبية الحيوية. في عام 2010 عاد البروفيسور ميلر إلى إسرائيل للعمل في كلية الهندسة الطبية الحيوية مع تعيين ثانوي في علم الأحياء، وهو عضو في معهد راسل بيري لتقنية النانو.

التكنولوجيا التي سيتم تطويرها كجزء من اتحاد BeyondSeq تم تطويرها من قبل البروفيسور ميلر في وقت مبكر من عام 1998 في جامعة هارفارد، والمهمة الآن هي تكييفها من التسلسل "العادي" إلى التسلسل اللاجيني. نشرت المجموعة بالفعل هذا العام ثلاث مقالات علمية حول هذا الموضوع: تحسين كاشف الفوهات النانوية الضوئية (Nano Letters, 15, 745-752, 2015)، وتحديد بروتينات اليوبيكويتين الفردية بواسطة الفوهات النانوية (Biophysical Journal 108, 2340-2349, 2015). ورسم خرائط لعوامل النسخ على طول الحمض النووي على مستوى الجزيء الفردي (التقارير العلمية 5، 1-11، 2015).

"لقد كان البحث في مختبري دائمًا على اتصال بين العلوم الأساسية وجوانبها التطبيقية - وفي هذه الحالة في مجالات الأرضيات السريرية والطب الشخصي. قمنا في الولايات المتحدة الأمريكية بتطوير طرق جديدة لتسلسل جزيئات الحمض النووي بتمويل من المعهد الأمريكي للصحة (NIH). كان الهدف من المشروع، الذي انضممت إليه عندما تم تأسيسه في عام 2005، هو خفض تكلفة تسلسل الجينوم بحوالي 5 مرات. وعندما انضممت إلى البرنامج، كانت تكلفة تحديد تسلسل الجينوم البشري أكثر من عشرة ملايين دولار (لجينوم شخص واحد) ــ وهو مبلغ لا يستطيع تحمله إلا قِلة من الناس. واليوم، وبفضل مشروع المعاهد الوطنية للصحة إلى حد كبير، تكلف هذه الأرضيات أقل من ألف دولار وبدأت في دخول سلال الرعاية الصحية في جميع أنحاء العالم. هذه الثورة، التي حدثت نتيجة لتطوير أساليب تبليط جديدة تمامًا - وليس مجرد تحسين الأساليب الحالية - لها عواقب وخيمة على الأبحاث الأساسية، وعلى الطب، وعلى المجتمع الذي نعيش فيه."