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    Gli scienziati creano un dispositivo per il sequenziamento del genoma ultra accurato di singole cellule umane

    Panoramica del processo sperimentale utilizzando la tecnologia SISSOR. Singola cellula in sospensione identificata mediante imaging e catturata, quindi le molecole di DNA cromosomico vengono separate in una forma a singolo filamento, che vengono quindi distribuiti e partizionati casualmente in 24 camere MDA e spinti nella camera piena d'aria e nella soluzione di reazione. La reazione MDA si verifica dopo l'applicazione di calore al dispositivo a 30 gradi C durante la notte, prima della raccolta e dell'elaborazione in una libreria di sequenziamento con codice a barre. Credito:Università della California - San Diego

    Un team interdisciplinare di ricercatori dell'Università della California a San Diego ha sviluppato una tecnologia per il sequenziamento e l'aplotipizzazione molto accurati dei genomi di singole cellule umane. I loro risultati sono stati pubblicati online prima del Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ) edizione cartacea.

    "Il sequenziamento accurato delle singole cellule consentirà l'identificazione delle mutazioni che causano il cancro e le malattie genetiche, ", ha affermato l'autore senior Kun Zhang, un professore di bioingegneria presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Allo stesso tempo, l'aplotipizzazione precisa consentirà la genotipizzazione degli aplotipi, combinazioni di diversi geni o alleli come un gruppo di entrambi i genitori".

    I coautori di Zhang del Dipartimento di Bioingegneria includono il professor Xiaohua Huang e il ricercatore post-dottorato e alunno Wai Keung Chu (MS, dottorato di ricerca '11, '16), chi è il primo autore dell'articolo PNAS. I collaboratori alla ricerca del Dipartimento di Informatica e Ingegneria (CSE) includono il professor Vineet Bafna, che è un esperto di bioinformatica nel Center for Microbiome Innovation e nel CHO Systems Biology Center, entrambi all'UC San Diego, dottorato di ricerca studente Peter Edge, e l'alunno CSE Vikas Bansal (Ph.D. '08), ora un affiliato di facoltà in CSE e professore di pediatria presso la UC San Diego School of Medicine. Alle radici interdisciplinari del progetto si aggiunge l'alunno del Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica (ECE) Ho Suk Lee (MS, dottorato di ricerca '11, '15), ora a Broadcom, che ha prestato la sua esperienza in dispositivi microfluidici per l'analisi di singole cellule, nonché anni di lavoro nei laboratori di bioingegneria di entrambi i professori Zhang e Huang.

    Le applicazioni cliniche del sequenziamento del genoma richiedono un'elevata precisione nel sequenziamento del DNA. Secondo Bafna di CSE, fino ad ora, molte applicazioni erano off-limits perché le tecnologie attuali non erano abbastanza accurate da essere eseguite a livello della singola cellula umana.

    "Molti individui portano alleli che causano malattie genetiche o li predispongono al cancro, " disse Bafna. "Ogni gene ha due alleli, uno da ciascun genitore. Uno degli alleli può contenere mutazioni che causano malattie. I portatori possono essere asintomatici, ma la loro prole può mostrare sintomi a causa della combinazione di cattivi alleli o aplotipi di entrambi i genitori".

    Prendiamo il caso delle coppie che sperano di rimanere incinte tramite la fecondazione in vitro (FIV). "Per la diagnostica genetica prima dell'impianto di fecondazione in vitro, è coinvolta una vita umana, quindi è richiesta la massima precisione, " ha spiegato il professore di bioingegneria Xiaohua Huang. "Con la nostra tecnologia, possiamo eseguire un sequenziamento e un aplotipizzazione estremamente accurati del genoma sulla base di una singola cellula sottoposta a biopsia da embrioni precoci".

    Oltre alla diagnostica preimpianto della fecondazione in vitro e alla diagnosi precoce del cancro, altre potenziali applicazioni della tecnologia sviluppata dall'UC San Diego includono il controllo di alta qualità delle cellule umane modificate dal genoma per scopi terapeutici. "Con l'esplosione dell'uso di CRISPR/Cas9 e di altre tecniche mirate di modifica del genoma, nuovi trattamenti potrebbero essere versioni ottimizzate delle cellule del paziente, " ha detto il primo autore e studente di dottorato in bioingegneria Wai Keung Chu. "La tecnologia rende possibile utilizzare una singola cellula del gene 'modificato' e restituire risultati che sarebbero accurati come se avessimo sequenziato molte cellule".

    La tecnologia in questione ha due aspetti nuovi:un processore microfluidico che consente la manipolazione di singole cellule e separare i filamenti cromosomici in camere diverse; e metodi computazionali che sfruttano le informazioni sui filamenti per l'aplotipizzazione e la correzione degli errori. Gli scienziati della UC San Diego lo hanno soprannominato "Sequenziamento a filamento singolo utilizzando reattori microfluidici" (SISSOR).

    "Essenzialmente consente il sequenziamento simultaneo di frammenti molto lunghi di tutti e quattro i filamenti del DNA cromosomico da entrambi i genitori, " ha spiegato il dottorando di ricerca in bioinformatica CSE Peter Edge, che lavora nel laboratorio di scienza dell'informazione del genoma del professore di pediatria Vikas Bansal. "Questo ci permette di fare confronti e correggere gli errori".

    La tecnica SISSOR rompe anche quella che è stata chiamata la "maledizione delle polimerasi", che introducono errori quando si effettuano copie del DNA. Sfortunatamente, ha osservato Bafna di CSE, "non possiamo leggere le informazioni sul genoma da singole cellule senza polimerasi, quindi abbiamo dovuto trovare una soluzione che eliminasse quegli errori".

    Sulla base delle loro scoperte, i coautori del documento PNAS sono stati in grado di dimostrare "il sequenziamento del genoma a singola cellula più accurato fino ad oggi".

    L'autore senior Kun Zhang afferma che la natura interdisciplinare della collaborazione di ricerca è stata fondamentale per trovare un modo più preciso per sequenziare il DNA da singole cellule. "Il nostro approccio può fornire contemporaneamente una maggiore precisione e aplotipi più lunghi rispetto ad altri approcci esistenti, " ha concluso Zhang. "Questa innovazione ha richiesto competenze che vanno oltre ciò che normalmente esiste in un singolo reparto, e questo caso è una testimonianza della crescente cultura della ricerca interdisciplinare della UC San Diego che ci ha permesso di attirare collaboratori di altri dipartimenti che erano fondamentali per una tecnologia il cui profitto si spera sarà misurato in vite salvate - e forse bambini più sani nati in vitro fecondazione."


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