Synteettisen biologian hyödyt virusdiagnostiikalle
Tauriainen, Sirja (2022)
Tauriainen, Sirja
2022
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-12-30
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202212209388
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202212209388
Tiivistelmä
Koronaviruspandemia on tuonut esille sen, että viralliset virustestaukset ruuhkautuvat helposti ja kotona tehtävien testien herkkyys ei ole läheskään yhtä korkea. Tämä herättää kysymyksen, onko mahdollista kehittää virusdiagnostiikkamenetelmiä, jotka eivät ole riippuvaisia ammattihenkilökunnasta ja kalliista laitteistoista, mutta kykenevät silti tarkkoihin tuloksiin. Kirjallisuusselvityksen tarkoituksena on selvittää yleisesti käytössä olevien virusdiagnostiikkamenetelmien rajoitteita sekä sitä, kykenevätkö synteettiseen biologiaan pohjautuvat virusdiagnostiikkamenetelmät ratkaisemaan niitä.
Virusdiagnostiikkamenetelmät voidaan jakaa neljään eri kategoriaan: solukasvatuksen avulla havainnointiin, antigeenien havainnointiin, vasta-aineiden havainnointiin sekä nukleiinihappojen havainnointiin. Virusten havainnointi solukasvatuksen avulla on hidasta, ja se ei sovellu kaikille viruksille. Antigeenien havainnointi toteutuu vasta-aineiden avulla ja vasta-aineiden havainnointi onnistuu vastaavasti antigeenien avulla. Tyypillisiä antigeenien ja vasta-aineiden havainnointiin käytettäviä menetelmiä on esimerkiksi entsyymivälitteinen immunosorbenttimääritys ja pikatesti. Entsyymivälitteisen immunosorbenttimäärityksen kesto on päivistä tunteihin, joten se on melko hidas. Pikatesti on nopea, mutta nopeuden vastapainona sen sensitiivisyys on alhainen. Nukleiinihappojen havainnointi tarvitsee niiden monistamista. Tyypillisiä nukleiinihappojen monistustekniikoita ovat erilaiset PCR-menetelmät (Polymeraasiketjuraktio, engl. Polymerase Chain Reaction), kuten PCR ja RT-qPCR (kvantitatiivinen käänteiskopiointipolymeraasiketjureaktio). RT-qPCR on tyypillisesti virusten havainnoinnin kultastandardi. PCR-menetelmät vaativat melko kalliit lämmityslaitteistot, jotka kykenevät lämpötilanvaihteluihin, ja ammattihenkilökunnan suorittamaan analyysiä. PCR-menetelmien tilalle onkin kehitetty isotermiseen nukleiinihappojen monistamiseen kykeneviä menetelmiä, jotka voivat toimia jopa huoneenlämmössä.
Synteettisen biologian ominaispiirteitä on biologisten osien abstraktointi ja standardisointi. Tämä onkin mahdollistanut geenipiirien luonnin, minkä avulla biologisia systeemejä voidaan käsitellä kuten virtapiirejä. Huomattava virusdiagnostiikan mahdollistava geenipiireihin liittyvä keksintö on toehold-kytkin. Toehold-kytkimet kykenevät tunnistamaan minkä tahansa niille annetun nukleiinihappopätkän. Toinen synteettisen biologian työkalu, jota voidaan hyödyntää virusdiagnostiikassa, on CRISPR-Cas. CRISPR-Cas on molekyylikompleksi, joka kykenee tunnistamaan nukleiinihapon pätkän, ja leikkaamaan nukleiinihapon tunnistamaltaan alueelta. On kehitetty useita CRISPR-Casiin pohjautuvia virusdiagnostiikka-alustoja, joista huomattavin on SHERLOCK (Specific High-sensitivity Enzymatic Reporter unLOCKing). SHERLOCK pohjautuu isotermisiin nukleiinihapon monistusmenetelmiin, sekä eräisiin CRISPR-Cas-kompleksien nukleiinihapon leikkauksen yhteydessä tapahtuvaan toissijaiseen leikkautumiseen. Toehold kytkinten avulla on saavutettu RT-qPCR:ää noin 4 suuruusluokkaa sensitiivisempiä tuloksia. CRISPR-Casin avulla on kehitetty huoneenlämmössä toimiva kasvomaski, joka kykenee havainnoimaan SARS-CoV-2:den (Koronavirus, Severe accute respitory syndrome-related coronavirus). Synteettisen biologian avulla on siis saatu kehitettyä menetelmiä, jotka ovat halpoja, herkkiä ja eivät välttämättä vaadi ammattihenkilökuntaa suorittamaan analyysiä.
Virusdiagnostiikkamenetelmät voidaan jakaa neljään eri kategoriaan: solukasvatuksen avulla havainnointiin, antigeenien havainnointiin, vasta-aineiden havainnointiin sekä nukleiinihappojen havainnointiin. Virusten havainnointi solukasvatuksen avulla on hidasta, ja se ei sovellu kaikille viruksille. Antigeenien havainnointi toteutuu vasta-aineiden avulla ja vasta-aineiden havainnointi onnistuu vastaavasti antigeenien avulla. Tyypillisiä antigeenien ja vasta-aineiden havainnointiin käytettäviä menetelmiä on esimerkiksi entsyymivälitteinen immunosorbenttimääritys ja pikatesti. Entsyymivälitteisen immunosorbenttimäärityksen kesto on päivistä tunteihin, joten se on melko hidas. Pikatesti on nopea, mutta nopeuden vastapainona sen sensitiivisyys on alhainen. Nukleiinihappojen havainnointi tarvitsee niiden monistamista. Tyypillisiä nukleiinihappojen monistustekniikoita ovat erilaiset PCR-menetelmät (Polymeraasiketjuraktio, engl. Polymerase Chain Reaction), kuten PCR ja RT-qPCR (kvantitatiivinen käänteiskopiointipolymeraasiketjureaktio). RT-qPCR on tyypillisesti virusten havainnoinnin kultastandardi. PCR-menetelmät vaativat melko kalliit lämmityslaitteistot, jotka kykenevät lämpötilanvaihteluihin, ja ammattihenkilökunnan suorittamaan analyysiä. PCR-menetelmien tilalle onkin kehitetty isotermiseen nukleiinihappojen monistamiseen kykeneviä menetelmiä, jotka voivat toimia jopa huoneenlämmössä.
Synteettisen biologian ominaispiirteitä on biologisten osien abstraktointi ja standardisointi. Tämä onkin mahdollistanut geenipiirien luonnin, minkä avulla biologisia systeemejä voidaan käsitellä kuten virtapiirejä. Huomattava virusdiagnostiikan mahdollistava geenipiireihin liittyvä keksintö on toehold-kytkin. Toehold-kytkimet kykenevät tunnistamaan minkä tahansa niille annetun nukleiinihappopätkän. Toinen synteettisen biologian työkalu, jota voidaan hyödyntää virusdiagnostiikassa, on CRISPR-Cas. CRISPR-Cas on molekyylikompleksi, joka kykenee tunnistamaan nukleiinihapon pätkän, ja leikkaamaan nukleiinihapon tunnistamaltaan alueelta. On kehitetty useita CRISPR-Casiin pohjautuvia virusdiagnostiikka-alustoja, joista huomattavin on SHERLOCK (Specific High-sensitivity Enzymatic Reporter unLOCKing). SHERLOCK pohjautuu isotermisiin nukleiinihapon monistusmenetelmiin, sekä eräisiin CRISPR-Cas-kompleksien nukleiinihapon leikkauksen yhteydessä tapahtuvaan toissijaiseen leikkautumiseen. Toehold kytkinten avulla on saavutettu RT-qPCR:ää noin 4 suuruusluokkaa sensitiivisempiä tuloksia. CRISPR-Casin avulla on kehitetty huoneenlämmössä toimiva kasvomaski, joka kykenee havainnoimaan SARS-CoV-2:den (Koronavirus, Severe accute respitory syndrome-related coronavirus). Synteettisen biologian avulla on siis saatu kehitettyä menetelmiä, jotka ovat halpoja, herkkiä ja eivät välttämättä vaadi ammattihenkilökuntaa suorittamaan analyysiä.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8709]