Danskere udvikler ny teknik til at se på DNA

Nu bliver det lettere at analysere DNA. Forskere fra DTU har gjort det muligt at analysere hidtil uhørt store stykker arvemateriale.

Gensekventering foregår normalt ved, at forskere afkoder den genetiske kode i adskilte DNA-stykker på omkring 300 basepar (DNA'ets byggesten - se faktaboks) og bagefter samler DNA-stykkerne i ét stort puslespil.

Nu har forskere fra DTU i samarbejde med forskere fra Oxford University udviklet en teknik, der gør det muligt at kortlægge de genetiske mønstre i DNA-stykker på op til to millioner basepar.

Den nye teknik er sågar i stand til at udtrække information fra én enkelt celle og sammenligne dens genetiske kode med nabocellen. Det er interessant i blandt andet kræftforskning.

»I kræftceller sker der ofte en omorganisering af genomet, så nogle DNA-stykker ikke er, hvor de bør være. Der er også forskel på den genetiske opbygning af de enkelte kræftceller, afhængigt af om de sidder yderst eller inderst i kræftknuden. Med vores nye teknik kan vi gå ind og finde de fejlplacerede DNA-sekvenser og samtidig se de genetiske forskelle i hver enkelt celle. Det kan give os et dybere indblik i genetikken bag kræft,« fortæller en af forskerne bag studiet, Jonas Nyvold Pedersen, ph.d. og forsker ved DTU Nanotech.

Selvlysende DNA er nøglen

En af grundstenene i den nye teknik er en speciel DNA-farvning, der tidligere er blevet udviklet på DTU.

Under farvningen benytter forskerne et selvlysende stof, der binder mellem de individuelle baser i DNA’ets basepar. Det betyder, at hele DNA’et lyser op.

Efterfølgende varmer forskerne DNA’et op til 76 grader celsius, hvorved bindingerne mellem baserne (se faktaboks) adenin og thymin smelter, men ikke bindingerne mellem guanin og cytosin, da deres smeltepunkt er højere.

Når bindingen mellem adenin og thymin smelter, falder farvestoffet ud af bindingen.

»Når vi bagefter køler DNA’et ned, vil kun bindingerne mellem guanin og cytosin lyse op. Vi kan derefter tage et billede af DNA’et og få en farveprofil, der fortæller os, hvordan basepars-sammensætningen af DNA’et i store træk er,« forklarer Jonas Nyvold Pedersen.

Krævede udvikling af ny chip

Det krævede dog udvikling af endnu en ny teknik, før forskerne kunne afkode den genetiske information i DNA’et.

Problemet med DNA er, at det opfører sig som en fiskesnøre, der ligger ’hulter til bulter’. Det gør det umuligt for forskere at finde hoved og hale i DNA’et ud fra et billede.

For at løse dette problem udviklede lektor Rodolphe Marie fra DTU Nanotech en ’chip’, der kunne strække DNA’et ud, så det blev ét langt stykke på op til to millioner basepar.

Chippen fungerer ved, at DNA'et placeres i midten af en rillet glasplade, hvorefter et flow af væske strækker DNA’et ud.

Det har forskere ganske vist kunnet gøre før, men ikke i samme grad.

»Tidligere teknikker har kun formået at strække DNA’et 40 til 50 procent ud. Her har DNA’et stadig mulighed for at ligge og vibrere, hvilket gør det svært at tage skarpe billeder af det. Men med den såkaldte nano fluid chip strækkes DNA’et helt ud, og vi kan tage markant bedre billeder af DNA’et og se, hvilke områder der lyser op,« siger Jonas Nyvold Pedersen.

Skal gennem en computerdatabase

Billedet af det lysende DNA fodrer forskerne til en computer, der sammenligner billedet af DNA’et med en estimeret farveprofil af et reference-DNA – det vil sige: hvordan burde DNA’et se ud?

På den måde kan forskerne bestemme, om der i DNA’et er større genetiske forskelle i forhold til reference-DNA’et.

De kan blandt andet se, om nogle stykker af DNA’et er vendt om, som det ofte ses i kræftceller, eller om stykker af DNA’et er overført fra andre kromosomer.

»Med den nye teknik får vi også et bedre billede af på hinanden følgende gentagelser i DNA’ets base-sekvens. DNA indeholder ofte disse gentagelser, som kan være svære at opdage, når man kun kigger på DNA-stykker, der er 300 basepar lange. Her kan man ofte sidde med mange stykker DNA, som er ens, så man ved ikke, om DNA’et indeholder fem, seks eller flere af de gentagede sekvenser. Det kan vi se med den nye teknik, da vi kigger på meget længere stykker DNA,« fortæller Jonas Nyvold Pedersen.

Ny teknik, nye muligheder

Da forskerne kan kigge på ét DNA-molekyle ad gangen, gør den nye teknik dem i stand til at kigge på genetiske forskelle mellem enkelte celler – eksempelvis kræftceller.

Men teknikken gør det også muligt at undersøge hidtil ukendte stykker DNA, hvor en høj grad af gentagende sekvenser af basepar gør det umuligt at undersøge dem med konventionelle sekventeringsteknikker.

Det gælder blandt andet centromeren, der er et område med meget høj koncentration af DNA midt i kromosomet.

»Vi kan nu undersøge, hvordan DNA’et ser ud i store træk i centromeren. Den nye teknik gør os dog ikke i stand til at se på sekvensen af de enkelte basepar, som man jo kan med normale sekventeringsteknikker. Men den nye teknik giver os endnu et værktøj til at gøre os klogere på, hvordan DNA’et er opbygget,« siger Jonas Nyvold Pedersen.

I den videnskabelige artikel demonstreres også, at DNA’et ikke beskadiges af at blive farvet, strakt og fotograferet, så det kan efterfølgende opsamles fra chippen og sendes til yderligere analyse – eksempelvis normal DNA-sekventering.

»Det er unikt at kunne kombinere to analysemetoder på en enkelt kopi af genomet. Det gør, at vores optiske kortlægning kan videreudvikles til en metode til at forberede DNA-prøver til sekventering,« fortæller lektor Rodolphe Marie.