Köydenvetoa DNA:lla
09.05.2012
Tutkija Timo Ikosen luoma matemaattinen malli selittää ensi kertaa, miten perimämme DNA-ketjut kulkeutuvat muutamien nanometrien paksuisten nanohuokosten läpi.
Pian Physical Review E:ssä julkaistava tutkimuspaperi selittää polymeerien translokaatioksi kutsutun ilmiön perusfysiikan. Ilmiön selvittäminen voi auttaa rakentamaan kolmannen sukupolven geenianalysaattoreita. Niiden avulla potilaan geeniperimän selvittämisestä voi tulevaisuudessa tulla terveydenhuollon rutiinitoimenpide.
Ihmisen perimän selvittäminen on yksi ihmiskunnan suurista saavutuksista. Menetelmä DNA-molekyyliketjun miljooniin emäksiin tallennetun perimän selvittämiseksi keksittiin jo 1970-luvulla, mutta ihmisen koko perimä onnistuttiin selvittämään vasta vuonna 2001.
Ensimmäinen ihmisen geenikartoitus maksoi lähes 3 miljardia dollaria. Analyysi on yhä erittäin työläs: yhden ihmisen geeniperimän selvittäminen maksaa yli 10 000 dollaria.
Timo Ikosen tutkima translokaatio mahdollistaa paljon yksinkertaisemman menetelmän geenien emäsjärjestyksen selvittämiseksi. Jo 1990-luvulla havaittiin, että kun dna-ketju pakotetaan sähkövirran avulla pienen nanohuokosen läpi, voidaan erityyppiset emäkset tunnistaa sähkövirran muutoksista.
Kokeelliset fyysikot kiirehtivät tutkimaan, voisiko ilmiötä soveltaa perimän emäsjärjestyksen kartoitukseen. Kourallinen teoreetikoita taas ryhtyi selvittämään, mitä itse translokaatiossa tapahtuu. Ensimmäisen teorian translokaatiosta esitteli vuonna 1996 professori Sungin ryhmä, nykyinen Ikosen tutkimuskumppani.
Ensimmäinen DNA:n translokaatioon perustuva DNA-sekvensseri on pian tulossa markkinoille, mutta itse teoria on ollut kiistanalanainen. Kokeissa on havaittu, että kun DNA-ketjua ajetaan sähkövirran avulla vain muutaman nanometrin paksuisesta huokosen läpi, menevät ketjun ensimmäiset monomeerit huokosen läpi hyvin nopeasti. Sitten prosessi hidastuu, kunnes translokaationopeus jossain vaiheessa jälleen nopeutuu.
− Tämä on ollut se miljoonan dollarin kysymys, miksi näin tapahtuu, tutkija Timo Ikonen kertoo.
DNA-ketju on kuin sykkyrällä oleva puutarhaletku
Artikkelissaan Ikonen esittelee matemaattisen mallin, joka selittää translokaatioprosessin kulun. Tutkija vertaa DNA-ketjua maassa sykkyrällä makaavaan puutarhaletkuun.
− Kun laskokset pikku hiljaa aukenevat ja vedettävän pätkän pituus kasvaa, muuttuu vetäminen raskaammaksi, Ikonen selvittää.
Lopulta koko letku on liikkeessä, ja kiskominen raskaimmillaan. Kun yli puolet DNA-rihmasta on läpäissyt nanohuokosen, alkaa emäsketjun loppupää lyhetä, ja translokaatio nopeutuu nopeutumistaan.
Ikosen oivallus siitä, miten DNA-rihman translokaation kitka riippuu ajasta, syntyi tammikuussa 2011 tutkimusvierailulla Etelä-Koreassa. Professori Sungin jatko-opiskelija esitteli japanilaisprofessori Takahiro Sakauen tutkimuspaperia, jossa translokaation eteneminen oli selitetty vastaavalla tavalla. Ikonen korjasi Sakauen puutteellisia lähtö-oletuksia, ja pian uusi malli tuotti tuloksia, jotka pitivät lähes täydellisesti yhtä molekyylitason simulaatioiden kanssa.
− Se oli ihan uskomatonta, muistelee Ikonen ensimmäisiä tuloksia.
Jo ensimmäinen esitelmä aiheesta American Physical Society APS:n konferenssissa herätti ansaittua huomiota.
Pian julkaistavassa Unifying model of driven polymer translocation -artikkelissa Ikonen selittää myös sen, miten molekyyliketjun pituus vaikuttaa translokaatioaikaan. Ikosen malli paljastaa, miksi tietokonesimulaatiot ja aiemmat matemaattiset mallit ovat tuottaneet ristiriitaisia tuloksia.
− Aikaisemmin on verrattu omenoita ja appelsiineja. Simulaatioissa on käytetty pisimmillään tuhannen monomeerin mittaisia ketjuja, matemaattiset mallit on taas tehty äärettömän pitkille ketjuille.
Ikonen havaitsi, että DNA-ketjun kokonaispituus lakkaa vaikuttamasta translokaation etenemiseen vasta, kun se on noin 100 000 emäksen mittainen. Uusi teoria ja simulaatiot tuottavat samoja tuloksia kaiken mittaisilla ketjuilla.
− Se todistaa, että ajatuksemme voiman etenemisestä on se, mitä translokaatiossa todella tapahtuu.
Ikosen malli on perustutkimusta, jota voidaan soveltaa monille eri aloille. Ymmärrys translokaation perusfysiikasta on arvokasta uudenlaisten geenisekvensserien kehittäjille. Kolmannen sukupolven laitteilla ihmisen geenikartoituksen hinta saattaa pudota alle 100 dollariin.
Translokaatioita tapahtuu myös monissa muissa biologisissa prosesseissa, esimerkiksi virusten injektoidessa perimäänsä soluseinämän läpi. Uusi malli antaa tutkijoille eväät ymmärtää pitkien polymeeriketjujen kulkeutumista nanometrien kokoisista aukoista. Luonnossa näiden nanomittakaavan ilmiöiden havainnointi on erittäin vaikeaa. Nyt tutkijan työkaluksi riittää simuloinneissa käytettyjen supertietokoneiden sijasta tavallinen pöytä-PC.
Unifying model of driven polymer translocation -tutkimuspaperi on ennakkojulkaistu arXiv -palvelussa.
Lisätietoa Aalto-yliopiston tutkimusryhmästä The Multiscale Statistical Physics Group
Lisätietoja:
Tutkija Timo Ikonen
Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu
Puh. 09 470 25 808
timo.ikonen [at] aalto [dot] fi
