Téma t2: Mapování DNA

Zadáno v čísle 24.1.

Zadání

Využívat a ohýbat přírodu pro své záměry se lidé snaží snad už celé věky. Ale až v posledních desetiletích se nám dostaly do rukou nástroje, kterými dokážeme manipulovat s těmi nejzákladnějšími stavebními kameny života – s DNA. Díky nim dokážeme uměle vytvářet nové organismy nebo třeba velmi přesně předpovídat, jaké zdravotní problémy by toho kterého člověka mohly potkat.

Ale k tomu, abychom mohli DNA upravovat pro naše záměry, je třeba vědět, kde se v ní co nachází. Dnes asi nejjednodušší možností je DNA prostě nasekvenovat – tedy určit jak přesně jdou jednotlivé báze v dané DNA za sebou – a vše vyčíst z řetízku bází. My se ale podíváme na metodu, která nám toho sice o DNA řekne méně, ale zase je mnohem jednodušší. A to na restrikční mapování.

Restrikční mapování je založené na použití tzv. restrikčních enzymů. To jsou molekuly, které dokážou DNA „rozstřihnout“ v těch místech, která obsahují nějakou konkrétní posloupnost bází (např. enzym EcoRI rozstřihne posloupnost bází GAATTC). Nejdřív tedy DNA pomocí nějakého restrikčního enzymu rozstříháme na kratší kusy – fragmenty. Následně pomocí elektroforézy změříme délky a počty fragmentů a z těchto informací chceme sestavit restrikční mapu. To je seznam míst v DNA, ve kterých stříhá daný enzym (restrikčních míst). Pokud máme DNA dlouhou 20000 bází a získáme fragmenty délky 8000, 7000 a 5000 bází, pak restrikční mapa může např. říkat, že enzym stříhá v místě vzdáleném 7000 bází od začátku sekvence a v místě vzdáleném 15000 bází od začátku sekvence.

Z příkladu už je vidět, že jen z délek a počtu fragmentů restrikční mapu nesestavíme – není jasné, jak fragmenty uspořádat. V praxi se proto používají enzymy dva. Nejdřív DNA naštěpíme prvním, pak druhým a pak oběma současně – to nám znemožňuje uspořádat fragmenty úplně libovolně. Stačí to? Zkuste najít netriviální protipříklad dokazující, že ani v tomto případě nemusí být restrikční mapa jednoznačná. Dá se s tím nějak vypořádat? Zkuste vymyslet jiné metody, jak najít restrikční mapu DNA (pro jeden, nebo pro více restrikčních enzymů).

Jak ale vlastně z fragmentů sestavíme restrikční mapu? Inu, pořídíme si na to nějaký program! Zkuste vymyslet algoritmus, který dostane délky a počty fragmentů a sestaví z nich restrikční mapu. Můžete použít variantu se dvěma enzymy z předchozího odstavce (které se říká Double Digest Problem), nebo nějakou vlastní „stříhací“ metodu. Pokud umíte programovat, můžete svůj algoritmus i naprogramovat a podívat se, jak funguje. K tomu se vám může hodit online nástroj1, kterým si můžete nastříhat DNA nebo rovnou vyrobit restrikční mapu. Pokud byste si chtěli nastříhat nějakou reálnou DNA, můžete využít online databázi DNA2. Nenechte se zastrašit lehce komplikovaným rozhraním obou stránek, časem se na https://mam.mff.cuni.cz/zadani/temata/ objeví návod, jak je používat.

Pokud se s algoritmy a programováním moc nekamarádíte, můžete se zkusit zaměřit na experimentální část mapování. Jak vůbec takové restrikční enzymy fungují a jak poznají, kde mají stříhat? Na jakém principu funguje měření délek fragmentů? Dokážeme nějak poznat, kolik je fragmentů dané délky? A jak přesné ono měření vůbec je? Dá se s nepřesnostmi případně nějak vypořádat?

Napadla-li vás nějaká otázka, která zde nezazněla, nebojte se nad ní zamyslet a něco k ní poslat. Stejně tak se nebojte napsat, pokud potřebujete pomoci třeba se získáním nějakých zdrojů, ke kterým se nemůžete dostat, nebo máte nějaký dotaz.

O(N)dra


1) http://www.restrictionmapper.org/

2) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nucleotide/