Dataprogram avdekker fusk i tidsurene dine

Denne artikkelen ble først publisert i forenklet utgave på forskning.no.

Maskinene som i dag brukes til DNA-sekvensering og avansert medisinsk analyse, er som regel store og kostbare og opereres av spesialister i egne laboratorier. Ofte tar det dager før prøvesvarene er klare. Nå er en teknologisk revolusjon i ferd med å gi oss utstyr som er langt rimeligere og mye mindre, men som kan utføre mange av de samme oppgavene og gir deg resultatet med det samme.

Vi snakker om teknologi som i kortversjon går ut på å måle endringer i elektrisk spenning når nukleinsyrer – DNA – føres gjennom et ørlite hull – en nanopore. Informasjonen brukes til å identifisere hvilken DNA-type som nettopp passerte.

Teknologien er utviklet av Oxford Nanopore Technologies, og en versjon – MinION – er allerede i bruk og testet med svært godt skussmål i anerkjente Nature Communications.

Verdensomspennende forskerdugnad

Nå lages en enda mindre versjon av teknologien – ikke stort større enn en lighter – som bruker en smarttelefon som strømkilde.

- Tusenvis av forskere på ulike forskningsinstitusjoner verden over bidrar til å forbedre teknologien. På UiB har vi laget et dataprogram og en tilhørende protokoll – en slags brukerhåndbok – som gjør denne nanoporeteknologien i stand til å måle det vi kan kalle viktige «tidsur» i cellene våre, sier Håkon Tjeldnes.

Tjeldnes er stipendiat i bioinformatikk, en forskningsgren der man bruker datakraft til å nyttiggjøre seg tilgangen på enorme mengder biologiske data. Fagfeltet har bidratt til store fremskritt i blant annet individuelt skreddersydd kreftbehandling og i forståelsen av arvelige sykdommer.

Tidsurene Tjeldnes snakker om, er noe som heter poly(A)-haler. Det høres kanskje gresk ut – første del av ordet er faktisk gresk – men etter en ørliten sightseeing i arvestoff og celler, vil du forstå hva det handler om.

Kokkene i cellene våre trenger riktig oppskrift

Trådene i genene dine består av små byggeklosser som heter nukleotider, som igjen består av et sukkermolekyl, en fosfatgruppe og en nitrogenbase. De to første hopper vi bukk over, her er det nitrogenbasen som gjelder. Den kan være av fire ulike typer: adenin, cytosin, tymin og guanin; forkortet A, C, T og G. De tre siste kan du glemme, i dag er det A som gjelder.

Har du ikke hørt om adenin før, er det egentlig på høy tid. På sitt vis bidrar nemlig A-en til at det som skal produseres i de ulike cellene våre, produseres i den mengden det skal.

- De fleste har hørt om DNA, men genene våre kopieres også til RNA, som litt enkelt sagt er den originale oppskriften på hva som skal produseres av protein – livets byggesteiner – i cellene våre, forklarer Tjeldnes.

Denne originale oppskriften kopieres opp slik at «kokkene» som styrer grytene i cellene våre – ribosomene – får hver sin oppskrift. På hver av disse kopiene henger det en beskyttende hale av de nevnte A-ene.

Unaturlig nedbrytingstempo kan være sykdomstegn

- Denne halen brytes naturlig ned over tid, og det er lengden på halen som bestemmer hvor lang tid nedbrytingen tar. Skal kopien eksistere lenge, er halen lang. Skal den forsvinne kjapt, er halen kort, sier Tjeldnes.

Når vi blir syke, enten det er kreft, stoffskiftesykdom eller noe helt annet, kan et uttrykk for sykdommen være at halen av A-er brytes ned i et unaturlig tempo. Da kan resultatet fort bli det komplette kaos på kjøkkenet.

- Det finnes rundt ti millioner kokker – altså ribosomer – i hver enkelt celle. Hvis halene på RNA-kopiene brytes ned for raskt, slik at oppskriftene forsvinner, vil det virre rundt en mengde kokker som ikke aner hva de skal lage, forteller Tjeldnes.

Brytes halene derimot ned for sakte, vil det plutselig være for mange bestillinger i omløp. Kokkene lager riktig rett, men de lager alt for mye av den. Og hvem orker vel å spise dessert hele dagen?

- Vi har altså laget et program som gjør det mulig å bruke nanoporeteknologien til å avdekke om tempoet på nedbrytingen av A-halene er normal. Programmet gjør det mulig å for eksempel lete etter gener der nedbrytningshastigheten avviker fra normalen, eller å sjekke om nedbrytningshastigheten er unaturlige i bestemte gener i tilfeller der man mistenker en bestemt sykdom, sier stipendiaten.

Motorprotein trekker i trådene

Hvordan teknologien virker, er også en vise verdt. Du drypper en dråpe eller to som inneholder DNA på en liten chip ved hjelp av en pipette. Deretter kommer et såkalt motorprotein ilende til med «muskelkraft» og drar RNA-trådene dine gjennom en nanopore.

Gjennom denne poren går det også elektrisk strøm. Siden A-ene og T-ene og de andre bokstavkameratene våre har ulik størrelse, vil de endre spenningen i litt forskjellig grad når de passerer.

- Med vårt program er det ikke bare mulig å se om det er en A eller en T som passerer, men også hvor mange av dem det er. Tidligere klarte ikke nanoporeteknologien å måle hvor mange nitrogenbaser som passerte hvis det kom bare A-er etter hverandre, men nå kan den det, sier Tjeldnes, og legger til:

 - Dermed kan teknologien brukes til å fastslå hvor lange de beskyttende halene er. Slik bidrar bioinformatikken til at vi får enda et nytt hjelpemiddel til å diagnostisere, behandle og forebygge sykdom. Andre steder jobber andre forskere med andre biter av et stort puslespill, og summen av svært ulike innfallsvinkler kan bidra til langt sikrere analysemetoder enn vi har i dag.

Nanoporeteknologien kan fortsatt ikke gjøre alt som f. eks. de store Illumina-maskinene på Haukeland kan, men allerede om få år tror forskerne at den kan gjøre avansert gensekvenseringsteknologi tilgjengelig i en helt annen skala enn i dag.

- Hastigheten de biologiske analysene kan gjennomføres med, gjør også at mange oppgaver kan gjøres mer effektivt med denne teknologien enn dagens maskiner kan. Det vil gå raskere å skreddersy effektiv individuell behandling, og allerede under ebolaepidemien som startet i 2014, så vi hvordan den nye teknologien ga uvurderlige bidrag til rask diagnostisering og behandling, sier Tjeldnes.

Ebolaepidemien i 2014 rammet blant annet slummen i Conakry i Guinea. Her viste nanoporeteknologien seg svært nyttig fordi den er liten, mobil og gir raskt svar på prøvene.

Foto/ill.:

CDC Global Health

Referanse
Krause, Maximilian mfl.: tailfindr: alignment-free poly(A) length measurement for Oxford Nanopore RNA and DNA sequencing. RNA Journal (2019) Vol 25, s. 1229-1241.