תעלות מרצפות

תעלות מרצפות היא שיטת ריצוף DNA בשלבי פיתוח המבוססת על חדירת הגדילים המרוצפים דרך ממברנה טבעית או מלאכותית בעלת חריר בקוטר של ננומטרים בודדים (תעלה יונית) הנמצאת בתוך תמיסה פיזיולוגית. שינויים חשמליים בתמיסות בין שני צדדי הממברנה או בחריר עצמו תלויים בסוג הבסיס החודר, מדידת השינויים מאפשרת את זיהוי הבסיס. באופן זה ניתן לרצף את הגדיל השלם.

היסטוריה

הרעיון של ריצוף דנ"א בשיטת תעלות מרצפות הוצע בתחילת שנות ה-90 של המאה ה-20בידי שתי קבוצות שעבדו באופן עצמאי: האחת בראשות Mark Akeson והשנייה בראשות Jens Gundlach. שתי הקבוצות גילו שניתן להעביר מולקולת דנ"א יחידה דרך תעלה חלבונית ביולוגית וכי זרם יונים שנמדד מהתעלה המרצפת בעת מעבר המולקולה דרך התעלה נותן מידע על רצף הנוקלאוטידים של המולקולה.

סוגים של תעלות מרצפות

הסוגים העיקריים של ריצוף בעזרת תעלות הם- התעלות הביולוגיות (Biological nanopores) ותעלות במצב מוצק (solid-state nanopores).

יתרונות השיטה

ריצוף בעזרת תעלות מרצפות מאפשר לרצף מקטעי דנ"א ארוכים. יתרון זה יאפשר בעתיד לרצף מולקולת דנ"א גנומית בזמן קצר ובאופן יעיל תוך כדי קבלת מידע על שינויים שחלו ברצף הגנטי כמו מקטעים שהוספו, מקטעים שהוסרו וכו'. למעשה, ריצוף בשיטה זו אינו מוגבל באורך הדנ"א. לשיטה זאת יתרון נוסף שכן, ניתן להשתמש בתעלה אחת לסוגים רבים של מולקולות דנ"א, כלומר השיטה אינה ספציפית אלא גנרית ולכן אינה דורשת הכנות מוקדמות, הגברה של המקטע וכו'. יתרונותיה העיקריים של השיטה הם מהירות הריצוף ועלותו הנמוכה, הואיל והשיטה אינה דורשת שימוש באנזימים, כגון דנ"א פולימרז או בנוקלאוטידים מסומנים פלואורסצנטית, אך חסרונה העיקרי הוא אחוז שגיאה גבוה.

ייעול עתידי של המערכת

נניח כי קיימת תעלת מרצפת אידיאלית שניתן להעביר בה מולקולת דנ"א. התעלה לא יוצרת אינטראקציה חזקה עם הדנ"א היא רק רחבה מספיק בשביל להכיל את מולקולת הדנ"א ואת זרם היונים שעובר בתוכה במהלך ריצוף הדנ"א. בנוסף, כל נוקליאוטיד מספק זרם יונים שונה במהלך מעבר בתוך התעלה. השאלה שעולה מתוך הנחה זאת ונשאלה על ידי חוקרים בנושא זה על מנת לפתח את הנושא ולהפוך את החזון למציאות: 
האם תעלה יונית מסוגלת באופן ישיר לרצף גדיל של מולקולות דנ"א? על מנת שהחזון יהפוך למציאות יש להתמודד ולהמשיך לחקור את הקשיים שעלו בדרך. 
מעבר מונחה מתח של פולינוקליאוטיד בתוך התעלה הוא מאוד פשוט, עדיין התנאים המיקרוסקופים של המעבר של הגדיל בתוך התעלה לא נשלטים באופן מלא בגלל מגבלות פנימיות של תהליך ההעברה בתוך התעלה. לדוגמה, תהליך הדיפוזיה הטבעית לתוך התעלה עדיין לא נחקר באופן משמעותי מספיק בשביל להגיע למסקנות לגבי תהליך זה. בנוסף, תהליך המעבר של המולקולה הוא מהיר מאוד וכמעט בלתי ניתן למדידה. הפחתת המתח של המעבר מגדיל את זמני המעבר הממוצעים, אך תהליך הדיפוזיה (שמגביר את הרעש של המערכת) הופך לאיטי יותר אך גם לתהליך פחות מבוקר ומסודר. תוצאה זאת משאירה את החוקרים עם מידע בלתי מספק לקביעת רצף גדיל הדנ"א מסיבות שאינן בשליטתם. 
בשביל לנסות ולפתור את בעיית המעבר ניסו להשתמש בדופלקס של דנ"א לא מזווג. הקינטיקה של התהליך צריכה להיות יותר מבוקרת בעזרת בחירת מתח התעלה וגודל הדופלקס. למרות זאת, דנ"א לא מזווג לא יכנס לתוך התעלה בסיס אחר בסיס בשל המבנה של הדופלקס שהוא מבנה יציב יותר הבנוי מכמה נוקלאוטידים אשר לא מאפשרים את המעבר בתוך התעלה באופן של בסיס אחר בסיס. המסקנה הנ"ל מצריכה את החוקרים להרחיב את החומצות האמינו הפנימיות וכתוצאה מכך זמן הריצוף מתארך. משימה זאת יכולה להיות מאתגרת מאוד בעיקר מהסיבה שיש את הצורך להגדיל את הפוטנציאל של התעלה המרצפת לקרוא מקטעים ארוכים יותר ולאורך זמן ארוך יותר. 
השימוש בשיטה של "צעד מוטורי תלוי אנזים" היא עוד דרך לויסות המעבר בתוך התעלה. לפי שיטה זאת האנזים דנ"א פולימראז משמש בשביל להניע את גדיל הדנ"א הבודד להיכנס לתוך התעלה בסיס אחד בכל פעם, כך שגדיל הדנ"א נמשך לתוך התעלה בעזרת כוחות חשמליים. למעשה התהליך הוא סימולטני בעוד שהדנ"א פולימראז מפלמר את גדיל הדנ"א מנקלאוטידים אשר בתמיסה הגדיל עצמו "משתחל" דרך התעלה המרצפת, בכל פעם שהאנזים משלב נוקליאוטיד לשרשרת, נוקליאוטיד אחד נדחף לתוך התעלה. ניתן לבקר את היעילות של האנזים בעזרת שינוי הריכוז של הנוקלאוטידים בתמיסה, שינוי המתח או בחירה של אנזים פולימראז שונה ויותר יעיל למדידה. היתרון של "צעד מוטורי תלוי אנזים" יכול להוות התקדמות גדולה תחום ולהוות פתרון יעיל לריצוף מולקולת דנ"א ארוכה במעט זמן ובכמה שפחות משאבים.