آزمایش فوق حساس کریسپر برای تشخیص عوامل بیماری‌زا در چند دقیقه

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، جهان در سال ۲۰۱۲ با فناوری قوی ویرایش ژن کریسپر آشنا شد. کریسپر که چندین دهه پیش در باکتری‌ها کشف شد، یک توالی خوشه‌ای متشکل از جفت‌های باز DNA است که توسط باکتری‌ها برای شناسایی و اتصال رشته‌های DNA ویروس استفاده می‌شود. گروهی از آنزیم‌ها به نام Cas پس از اتصال، DNA ویروس را قطع می‌کنند و آن را به صورت بی‌ضرر درمی‌آورند.

پژوهشگران دریافتند که کریسپر و آنزیم‌های Cas را می‌توان برای شناسایی و برش توالی‌های DNA مورد نظر تغییر داد و آن را به یک روش قوی و دقیق برای ویرایش ژن تبدیل کرد. حتی کریسپر با چند تغییر دیگر می‌تواند به یک روش تشخیصی سریع و دقیق نیز تبدیل شود. «رشید بشیر»(Rashid Bashir) استاد مهندسی زیستی دانشگاه ایلینوی توضیح داد: یکی از ویژگی‌های قوی کریسپر، توانایی آن در یافتن توالی‌های DNA بسیار ویژه و اتصال به آنهاست.

توانایی تشخیص توالی‌های DNA، کریسپر را به یک روش سودمند برای تشخیص تبدیل می‌کند زیرا می‌تواند به طور موثر DNA عوامل بیماری‌زا را در خون پیدا کند. بشیر ادامه داد: برخی از آنزیم‌های کریسپر مانند Cas۱۲a دارای توانایی ویژه‌ای هستند زیرا با شناسایی DNA مورد نظر خود، برش DNA تک‌رشته‌ای مجاور را آغاز می‌کنند. ما با گنجاندن مولکول‌های ویژه در انتهای توالی‌های کوچک DNA که هنگام برش می‌درخشند، می‌توانیم آنزیم CRISPR را به یک حسگر بسیار ویژه تبدیل کنیم که می‌تواند در حضور یک پاتوژن خاص، نور تولید کند.

یکی از مشکلات، تشخیص مقادیر کم نور تولیدشده توسط این واکنش‌های میکروسکوپی است. در ابتدا پژوهشگرانی مانند بشیر باید سیگنال را با استفاده از روش‌هایی مانند PCR که به طور انتخابی به تولید هزاران کپی از مقدار کمی DNA می‌پردازند، تقویت کنند. این فرآیند به تجهیزات خاصی نیاز دارد و چندین ساعت طول می‌کشد. نیاز به تقویت سیگنال، سرعت و تحرک آزمایش را کاهش داد زیرا نمونه‌ها باید به آزمایشگاه می‌رفتند و تکثیر می‌شدند.

پیش‌تقویت صورت‌گرفته، حساسیت آزمایش را کاهش داد زیرا DNA مورد نظر باید به طور مصنوعی افزایش می‌یافت تا سیگنال دیده شود. این امر، بشیر و همکارانش را برانگیخت تا از خود بپرسند: اگر ما بتوانیم سیستمی را توسعه دهیم که بدون هیچ گونه پیش‌تقویتی کار کند، چه می‌شود؟

برای این که سیگنال فلورسنت بدون تقویت قابل تشخیص باشد، پژوهشگران یک فرآیند دومرحله‌ای را ایجاد کردند. بشیر توضیح داد: بخش اول به دنبال DNA عوامل بیماری‌زا می‌گردد. اگر هدف را پیدا کند، واکنش دوم آغاز می‌شود که مانند یک واکنش زنجیره‌ای عمل می‌کند و سیگنال را به طور مداوم افزایش می‌دهد.

واکنش دوم متکی به مولکولی است که توسط گروه پژوهشی طراحی شده و پس از یافتن DNA عامل بیماری‌زا توسط آنزیم‌های CRISPR بریده می‌شود. بشیر گفت: پس از برش، عناصر بیشتری آزاد می‌شوند که دور بعدی سیگنال را هدایت می‌کنند و یک حلقه بازخورد مثبت را تشکیل می‌دهند. تنها با چند کپی از DNA یک عامل بیماری‌زا، سیستم می‌تواند یک سیگنال تشخیص قوی را بدون نیاز به هیچ گونه تقویت قبلی تولید کند.

پژوهشگران با استفاده از خون حاوی انواع عوامل باکتریایی و ویروسی اضافه‌شده از جمله هپاتیت B و استافیلوکوکوس اورئوس مقاوم به متی‌سیلین، باکتری مسئول عفونت‌های مقاوم به دارو و کشنده دریافتند که این آزمایش، نتایج واضح و دقیقی را تنها در ۱۰ دقیقه ارائه می‌دهد. همچنین، آزمایش‌ها حساسیت بهبودیافته روش را تایید کردند.

این گروه پژوهشی اکنون در حال تلاش برای بهبود این روش هستند زیرا هنوز به مرحله آماده‌سازی نمونه نیاز دارد که در آن DNA موجود در نمونه استخراج می‌شود. بشیر گفت: ما فعالانه در حال کار کردن روی راه‌هایی هستیم که بتوانیم این روش را یکپارچه‌سازی کنیم یا برخی از مراحل را به طور کامل دور بزنیم.

این پژوهش در مجله «PNAS» به چاپ رسید.