Wissenschaftler machen einen Sprung nach vorne für die genetische Sequenzierung

In einem heute veröffentlichten Artikel in Wissenschaftliche Fortschritte, enthüllten Forscher des Department of Chemistry und des Department of Physics & Astronomy an der University of California, Irvine, neue Details über ein Schlüsselenzym, das die DNA-Sequenzierung ermöglicht. Die Erkenntnis ist ein Sprung nach vorn in das Zeitalter der personalisierten Medizin, in der Ärzte Behandlungen auf der Grundlage des Genoms einzelner Patienten entwickeln können.

„Enzyme machen Leben möglich, indem sie chemische Umwandlungen katalysieren, die sonst für einen Organismus einfach zu lange dauern würden“, sagte Greg Weiss, UCI-Professor für Chemie und Mitautor der neuen Studie. „Eine der Transformationen, an denen wir wirklich interessiert sind, ist essentiell für alles Leben auf dem Planeten – es ist der Prozess, bei dem DNA kopiert und repariert wird.“

Das vom UCI-Team untersuchte Molekül ist ein Enzym namens Taq, ein Name, der von dem Mikroorganismus abgeleitet ist, in dem es erstmals entdeckt wurde. Thermos Aquaticus. Das vom UCI-Team untersuchte Molekül ist ein Enzym namens Taq, ein Name, der von dem Mikroorganismus Thermos aquaticus abgeleitet ist, in dem es zuerst entdeckt wurde. Taq repliziert DNA. Die Polymerase-Kettenreaktion, die Technik mit Tausenden von Anwendungen von der Forensik bis zu PCR-Tests zum Nachweis von COVID-19, nutzt Taq.

Das UCI-geführte Team stellte fest, dass sich Taq, da es dabei hilft, neue DNA-Kopien herzustellen, sich völlig anders verhält, als Wissenschaftler bisher angenommen hatten. Anstatt sich wie eine gut geölte, effiziente Maschine zu verhalten, die kontinuierlich DNA-Kopien produziert, verhält sich das Enzym, so Weiss, wie ein wahlloser Käufer, der durch die Gänge eines Geschäfts kreuzt und alles, was er sieht, in den Einkaufswagen wirft.

„Anstatt jedes Stück, das der DNA-Kette hinzugefügt werden soll, sorgfältig auszuwählen, greift das Enzym Dutzende von Fehlanpassungen für jedes erfolgreich hinzugefügte Stück“, sagte Weiss. „Wie ein Käufer, der Artikel von einer Einkaufsliste abhakt, testet das Enzym jeden Teil anhand der DNA-Sequenz, die es zu replizieren versucht.“

Es ist bekannt, dass Taq alle falschen Artikel zurückweist, die in seinem sprichwörtlichen Einkaufswagen landen – diese Zurückweisung ist schließlich der Schlüssel zum erfolgreichen Duplizieren einer DNA-Sequenz. Überraschend an der neuen Arbeit ist, wie häufig Taq korrekte Basen ablehnt. „Das ist so, als würde ein Käufer ein halbes Dutzend identischer Tomatendosen nehmen, sie in den Einkaufswagen legen und alle testen, wenn nur eine Dose benötigt wird.“

Die Take-Home-Message: Taq erledigt seine Arbeit viel, viel weniger effizient, als es sein könnte.

Der Fund ist ein Sprung in Richtung einer Revolutionierung der medizinischen Versorgung, erklärte Philip Collins, Professor an der UCI-Abteilung für Physik und Astronomie, der Co-Korrespondenzautor der neuen Forschung ist. Denn wenn Wissenschaftler verstehen, wie Taq funktioniert, können sie besser verstehen, wie genau das sequenzierte Genom einer Person wirklich ist.

„Jeder einzelne Mensch hat ein etwas anderes Genom“, sagte Collins, „mit unterschiedlichen Mutationen an verschiedenen Stellen. Einige davon sind für Krankheiten verantwortlich, andere für absolut nichts. Um wirklich zu verstehen, ob diese Unterschiede wichtig sind oder die Gesundheitsversorgung … Für die richtige Verschreibung von Medikamenten müssen Sie die Unterschiede genau kennen.“

„Wissenschaftler wissen nicht, wie diese Enzyme ihre Genauigkeit erreichen“, sagte Collins, dessen Labor die nanoskaligen Geräte zur Untersuchung des Verhaltens von Taq entwickelt hat. „Wie garantieren Sie einem Patienten, dass Sie seine DNA genau sequenziert haben, wenn sie sich vom akzeptierten menschlichen Genom unterscheidet? Hat der Patient wirklich eine seltene Mutation“, fragt Collins, „oder hat das Enzym einfach einen Fehler gemacht?“

„Diese Arbeit könnte genutzt werden, um verbesserte Versionen von Taq zu entwickeln, die weniger Zeit beim Erstellen von DNA-Kopien verschwenden“, sagte Weiss.

Die Auswirkungen der Arbeit hören nicht bei der Medizin auf; Jedes wissenschaftliche Gebiet, das auf eine genaue DNA-Sequenzierung angewiesen ist, kann von einem besseren Verständnis der Funktionsweise von Taq profitieren. Bei der Interpretation von Evolutionsgeschichten beispielsweise anhand alter DNA verlassen sich Wissenschaftler auf Annahmen darüber, wie sich die DNA im Laufe der Zeit verändert, und diese Annahmen beruhen auf einer genauen genetischen Sequenzierung.

„Wir sind in das Jahrhundert der Genomdaten eingetreten“, sagte Collins. „Zu Beginn des Jahrhunderts haben wir zum ersten Mal das menschliche Genom enträtselt, und mit diesen neu gewonnenen Informationen aus der Genomik beginnen wir, Organismen und Arten sowie die Menschheitsgeschichte zu verstehen, aber diese genomischen Informationen sind nur dann nützlich, wenn sie genau sind.“

Zu den Co-Autoren dieser Studie gehören Mackenzie Turvey, Ph.D., eine ehemalige UCI-Doktorandin in Physik und Astronomie, und Kristin Gabriel, Ph.D., eine ehemalige UCI-Doktorandin in Molekularbiologie und Biochemie.