מערך DNA

מערכי DNA (באנגלית: DNA microarray, DNA chip, Gene chip) הם שבבי זכוכית או פלסטיק שאליהם מודבקות חתיכות DNA חד-גדילי. בדרך כלל, מערכי DNA משמשים לאיתור נוכחות של mRNA, שעשוי להיות משועתק מגנים שונים. לכל גן מוקצה נקודה על פני השבב, וכשזו מאירה מסיקים שהגן התבטא.

צמד מערכי DNA

מערך DNA, הצבעים השונים מייצגים את רמת הביטוי של גנים שונים

מכונות משתמשות במערכים אלה כדי לסרוק אחר רצפים גנטיים רבים בו זמנית. חתיכות ה-DNA החד-גדילי מכונות גלאים. מאות גלאים בעלי רצף זהה מודבקים בכל נקודה כדי להפוך את השבב ליעיל. כל סוג גלאי מותאם לגן אחר. הגלאים עשויים לכלול אוליגונוקלאוטידים (גדילי DNA קצרים של עשרות בסיסים בודדים), תוצרי PCR,
DNA גנומי, פלסמידים, BACs ומקטעי DNA ארוכים יותר של 70 בסיסים. השבבים נחלקים לשני סוגים: מערכי מאקרו (Macroarray), שמכילים מאות סוגי גלאים, ומערכי מיקרו (Microarray), שמכילים אלפי סוגי גלאים.

אופן השימוש במערך DNA

ה-RNA מופק מתאים רבים מאותו סוג. בדרך זו יוצרים מאגר RNA שמבטא פרופיל של כל הגנים שמתבטאים בתא. אחר כך מולקולות ה-RNA עוברות תהליך של שעתוק הפוך באמצעות רוורס טרנסקריפטאז, בתהליך שיוצר cDNA. בשלב זה, מוסיפים סימון פלואורסצנטי לגדילי ה-cDNA. מולקולת cDNA שמכילה רצף משלים לגלאי החד-גדילי, שנמצא על השבב, תידבק אליו בדרך של זיווג בסיסים. כשייחשף השבב למקור אור, הנקודות שייראו יצביעו על ביטוי של גן. מפני שידוע מראש היכן ממוקם כל גן על גבי השבב, ניתן יהיה לדעת איזה גן התבטא בתאים לאחרונה; מערכי ה-DNA נותנים תמונה של אילו גנים בגנום מתבטאים בתא מסוים ובתנאים מסוימים.

מערכי DNA במחקר

מפני שתפקידם של חלק גדול מהחלבונים אינו ידוע, וכיוון שגנים רבים הם House keeping, כלומר שהם חיוניים לכל סוגי התאים דוגמת חלבוני שלד התא, חוקרים בדרך כלל משתמשים בשיטה כדי לערוך השוואות. לדוגמה, השוואה של דגימת RNA מגידול במוח לדגימה ממוחו של אדם בריא. גלאים שנקשרים ל-RNA בדוגמה שנלקחה מהגידול, ולא בדוגמה מאדם בריא מצביעים על קשר בין התבטאות הגן למחלה.

כדי לערוך השוואות מסוג זה, נהוג לצבוע את ה-RNA של החולה בצבע פלואורסצנטי אחד ואת ה-RNA של הבריא בצבע אחר. באופן זה ניתן להשוות על אותו שבב את שתי הדוגמאות. לדוגמה, אם RNA של החולה צבוע ירוק ושל הבריא צבוע אדום, אז היכן שמתבטאים רק הגנים של החולה נראה צבע ירוק, היכן שמתבטאים רק הגנים של הבריא נראה אדום, והיכן שמתבטאים אותם גנים גם בבריא וגם בחולה נראה צבע כתום.

אף שהשבבים מאתרים RNA ולא חלבונים, מדענים רבים מתייחסים לאנליזה זו כ"אנליזת ביטוי". מאחר שישנם מאות אלפי גלאים שונים על כל שבב, כל שבב הוא שווה ערך של אלפי בדיקות גנטיות. לפיכך, השימוש בשבבי DNA האיץ את המחקר.

שבבי DNA יכולים לשמש לזיהוי של מוטציות גנטיות ושינויים בין פרטים ואוכלוסיות. בדומה לשיטת ה-RFLP רק שבקנה מידה נרחב בהרבה. ניתן להשתמש בשבבים גם לצרכים פורנזיים (לצורך הוכחה במשפט), ובגילוי של פרטים בעלי נטייה לחלות.

היסטוריה

בחינת פרופיל התבטאות באמצעות שבבי DNA פורסמה לראשונה במגזין Science בשנת 1995. העובדה שאין אפשרות לעשות סטנדרטיזציה בשבבים לא מסחריים גורמת לבעיה בניתוח הנתונים. עיתונים מדעיים רבים אימצו את סטנדרט MIAME כתנאי לפרסום מחקרים שנערכו בשיטה זו.

הערות

השבב הנפוץ הוא של חברת Affymetrix. החברה עושה שימוש בטכנולוגיית הפוטוליתוגרפיה, שאומצה מתחום המוליכים למחצה. ייצור שבב ה-DNA מתחיל משבב קוורץ של 12.70 סנטימטר רבוע. בתחילה, השבב נרחץ כדי להבטיח הידרוקסילציה אחידה של פני המשטח. כיוון שהקוורץ נושא קבוצות הידרוקסיל, הוא מהווה סובסטרט מצוין לקישור של כימיקלים, כגון מולקולות מקשרות שאחר כך מסייעות למקם את הגלאים על השבב.

השבב מונח באמבט סילן (אנלוג מבני של פחמימנים רוויים שבו מחליפות מולקולות סיליקון את הפחמנים שמקושרים למימנים), שמגיב עם קבוצת ההידרוקסיל שעל גבי הקוורץ, ויוצר מטריקס של מולקולות שמקושרות באופן קוולנטי.

המרחק בין מולקולות הסילן קובע את צפיפות האריזה של הגלאים, ומאפשר לכל שבב להחזיק יותר מחצי מיליון אתרים שונים של גלאים על פני 1.28 ס"מ רבוע. כל אתר כזה מחזיק מיליוני מולקולות DNA זהות. משטח הסילן מקנה צפיפות הידרוקסיל אחידה שמאפשרת את התרכבות הגלאים. מולקולות הגלאי, שמחוברות למטריקס הסילן, מספקות משטח שניתן להפעילו באור.

ראו גם

• ביו-שבב
• מיקרו מערכי חלבון

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מערך DNA בוויקישיתוף

• ארז גרטי, שביב DNA – שיטה לסריקה של גנים, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 5 ספטמבר 2009
• אקונומיסט, מדענים מייצרים איברים על שבב ומקווים לברוא מחדש את גוף האדם, באתר הארץ, 19 ביוני 2015