लियू लैब के लिए, आवश्यकता वास्तव में आविष्कार की माँ है।
शोधकर्ता इस बात की जांच कर रहे थे कि कैसे जीनोम के 3 डी संगठन विकास को नियंत्रित करते हैं और एक मोटी ऊतक के नमूने में सैकड़ों आरएनए अणुओं को छविने की आवश्यकता है, यह समझने के लिए कि कोशिकाओं में जीन कहां और कैसे व्यक्त किए जा रहे थे।
बस एक समस्या थी: कोई उपकरण नहीं थे जो कार्य तक थे। एक तकनीक बहुत सारे आरएनए अणुओं की छवि बना सकती है, लेकिन केवल कोशिकाओं की एक पतली परत में। एक अन्य विधि गहरे ऊतक में छवि बना सकती है, लेकिन एक ही नमूने में केवल तीन या चार अणुओं का पता लगा सकती है।
इसलिए, HHMI के जेनेलिया रिसर्च कैंपस में टीम ने अपना टूल बनाने का फैसला किया। परिणाम एक अभिनव नई तकनीक है जो मोटी जैविक नमूनों के भीतर एकल कोशिकाओं में सैकड़ों आरएनए और प्रोटीन अणुओं को ट्रैक करने के लिए एक उपन्यास डीएनए बारकोड सिस्टम का उपयोग करती है, जो शोधकर्ताओं को एक पूरी तस्वीर प्रदान करती है कि इन संरचनाओं को ऊतकों के अंदर कैसे व्यवस्थित किया जाता है।
आरएनए अणु डीएनए से प्रोटीन बनाने के लिए निर्देश ले जाते हैं जो जीवित कोशिकाओं के बहुत काम को पूरा करते हैं। यह जानना कि ये अणु जटिल ऊतकों में कहाँ स्थित हैं, यह समझने का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है कि विभिन्न क्षेत्रों और सेल प्रकारों में जीन कहां और कैसे व्यक्त किए जा रहे हैं। यह जानकारी शोधकर्ताओं को यह समझने में सक्षम बनाती है कि जीन एक जीव के विभिन्न हिस्सों में कैसे कार्य करते हैं, वे विकास को कैसे सक्षम करते हैं, और उन्हें बीमारियों में कैसे बदल दिया जा सकता है।
जीव विज्ञान और न्यूरोसाइंस में इसके उपयोग से परे, शोधकर्ताओं के अनुसार, नई विधि का उपयोग नैदानिक इमेजिंग में भी किया जा सकता है।
“मुझे लगता है कि यह बहुत व्यापक रूप से एक गेमचेंजर होगा, न कि केवल मेरे क्षेत्र के लोगों के लिए,” जनेलिया समूह के नेता जेम्स लियू कहते हैं। “यह एक बहुत ही अस्पष्ट प्रश्न का उत्तर देने के लिए विकसित एक उपकरण था, लेकिन मुझे लगता है कि सभी जीवविज्ञानी अपने पसंदीदा नमूनों में तकनीक का उपयोग कर सकते हैं।”
गहराई और थ्रूपुट
नया इमेजिंग टूल, जिसे CycleHCR कहा जाता है, एक पहले से विकसित तकनीक पर बनाता है जिसे हाइब्रिडाइजेशन चेन रिएक्शन, या HCR कहा जाता है। तकनीक एक लक्ष्य पर कई फ्लोरोफोरस को इकट्ठा करती है जो एक उज्ज्वल बीकन की तरह चमकती है जब एक प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप द्वारा imaged, शोधकर्ताओं को एकल कोशिकाओं में अणुओं को ऊतकों के अंदर गहराई से देखने में सक्षम बनाता है।
लेकिन एचसीआर वर्तमान फ्लोरोफोरस द्वारा सीमित है, जो कि, व्यापक स्पेक्ट्रम के कारण वे कवर करते हैं, केवल एक समय में तीन या चार रंगों का उपयोग करने की अनुमति देते हैं। इसका मतलब है कि शोधकर्ता केवल एक नमूने में मुट्ठी भर अणुओं का पता लगा सकते हैं, जिससे ऊतकों के भीतर उन्हें कैसे व्यवस्थित किया जाता है, इसकी पूरी तस्वीर प्राप्त करना मुश्किल हो जाता है।
इसे दूर करने के लिए, टीम ने उपन्यास डीएनए बारकोड को डिजाइन किया जिसे वे लक्ष्यों से जोड़ सकते हैं। एक सुपरमार्केट में उत्पादों पर बारकोड की तरह, जो स्टोर में प्रत्येक व्यक्तिगत प्रकार के आइटम को नामित करता है, अद्वितीय डीएनए बारकोड शोधकर्ताओं को नमूने में प्रत्येक प्रकार के अणु को टैग करने की अनुमति देते हैं।
प्रत्येक बारकोड में दो भाग होते हैं। जब दो टुकड़े मेल खाते हैं, तो लक्ष्य एचसीआर तकनीक द्वारा प्रवर्धित होता है। बारकोड के दो भाग सुनिश्चित करते हैं कि आरएनए अणुओं के व्यक्तिगत प्रकार का पता लगाने के लिए टैग पर्याप्त विशिष्ट हैं।
बारकोड को भी आसानी से हटाने के लिए डिज़ाइन किया गया था, इसलिए एचसीआर के कई राउंड एक ही नमूने पर किए जा सकते हैं। इमेजिंग का प्रारंभिक दौर तीन बारकोड का उपयोग करता है, तीन अलग -अलग रंगों में तीन आरएनए अणुओं को उठाता है। इन बारकोड को हटा दिया जाता है, और इमेजिंग का एक दूसरा दौर तीन अलग -अलग बारकोड का उपयोग करता है और इतने पर कई राउंड के लिए, अंततः एक ही नमूने में असीमित संख्या में लक्ष्यों की खोज की अनुमति देता है।
लियू लैब के एक वरिष्ठ वैज्ञानिक, वेलेंटिना गैंडिन ने कहा, “हमने स्प्लिट एम्प्लीफिकेशन चेन रिएक्शन तकनीक को इस तरह से संशोधित किया है कि अब हम इसमें बारकोडिंग जोड़ रहे हैं, जहां हम सैकड़ों, संभावित रूप से हजारों आरएनए का पता लगा सकते हैं, इन मल्टी राउंड्स के साथ,” लियू लैब के एक वरिष्ठ वैज्ञानिक वेलेंटिना गैंडिन कहते हैं, जिन्होंने अनुसंधान को सह-नेतृत्व किया। “बारकोडिंग एक नवीनता थी जिसे हमने इसमें जोड़ा।”
आरएनए का पता लगाने के अलावा, शोधकर्ताओं ने प्रोटीन का पता लगाने के लिए एक ही बारकोड का उपयोग करने का एक तरीका विकसित किया, जिससे शोधकर्ताओं को यह समझने की अनुमति मिलती है कि आरएनए और प्रोटीन दोनों ऊतकों में कैसे व्यवस्थित होते हैं।
टीम ने सिस्टम को भी स्वचालित किया, जिससे शोधकर्ताओं को एक दिन में एक दर्जन आणविक प्रजातियों का पता लगाने में सक्षम बनाया, जो कि लगातार प्रक्रिया की निगरानी के बिना एक ही दिन में। इसके अतिरिक्त, पोस्टडॉक्टोरल वैज्ञानिक जून किम, नए अध्ययन के एक-पहले लेखक, ने विश्लेषण विधियों को विकसित किया, जो कि जीन को स्थानिक रूप से व्यक्त किया जाता है और शोधकर्ताओं को कच्चे डेटा की समझ बनाने में मदद करता है। लियू लैब ने जेनेलिया में वैज्ञानिक कंप्यूटिंग सॉफ्टवेयर सपोर्ट टीम के साथ भी काम किया और उत्पन्न इमेजिंग डेटा की बड़ी मात्रा को संसाधित करने के लिए एक स्वचालित पाइपलाइन विकसित की।
शोधकर्ताओं ने माउस भ्रूण में जीन अभिव्यक्ति को निर्धारित करने के लिए नई विधि का उपयोग करने के लिए जेनेलिया में अन्य प्रयोगशालाओं के साथ काम किया, एक ही नमूने में 254 जीनों को निर्धारित किया। इसने शोधकर्ताओं को भ्रूण में सभी सेल प्रकारों को चिह्नित करने और नए सेल प्रकारों की खोज करने में सक्षम बनाया, जिन्हें पहले नहीं बताया गया था, ऐसी जानकारी जो विकास को समझने के लिए महत्वपूर्ण है।
नई तकनीक ने पहले से ही वैज्ञानिक समुदाय में ध्यान दिया है, और टीम नए उपकरण का उपयोग करने के लिए अधिक प्रयोगशालाओं को सक्षम करने के लिए काम कर रही है। उन्होंने सभी बारकोड अनुक्रमों को साझा किया ताकि अन्य प्रयोगशालाएं अपनी जांच डिजाइन कर सकें, भले ही उनके पास एक स्वचालित प्रणाली न हो। टीम अपने प्रोटोटाइप सिस्टम के अधिक सुव्यवस्थित संस्करण का निर्माण कर रही है और वैज्ञानिक समुदाय के साथ अपने स्वचालित मंच को साझा करने की योजना बना रही है।
“आखिरकार हम चाहते हैं कि हर कोई इसका उपयोग करे,” लियू कहते हैं। “हम वास्तव में चाहते हैं कि हमारी तकनीक व्यापक रूप से फैल जाए ताकि प्रत्येक वैज्ञानिक को इसका उपयोग करने में सक्षम हो सके।”
