Che cos’è il sequenziamento del DNA?
Il sequenziamento del DNA è il metodo che determina l’ordine delle quattro basi nucleotidiche (adenina, timina, citosina e guanina) che costituiscono la molecola del DNA e trasmettono importanti informazioni genetiche. Nella doppia elica del DNA, le quattro basi si legano con il partner specifico per formare unità chiamate coppie di basi (bp). L’adenina (A) si accoppia con la timina (T) e la citosina (C) con la guanina (G). Il genoma umano contiene circa 3 miliardi di coppie di basi che forniscono le istruzioni per la creazione e il mantenimento di un essere umano. La struttura base-accoppiata rende la sequenza del DNA adatta all’immagazzinamento di una grande quantità di informazioni genetiche. Questo accoppiamento di basi complementari è la base del meccanismo con cui le molecole di DNA vengono copiate, trascritte e tradotte, e l’accoppiamento è anche alla base della maggior parte dei metodi di sequenziamento del DNA. Grazie all’enorme miglioramento delle tecnologie e dei metodi di sequenziamento del DNA, il sequenziamento dell’intero genoma è diventato possibile e accessibile.
Metodi di sequenziamento del DNA
Il sequenziamento Sanger fu scoperto dal biochimico inglese Frederick Sanger negli anni ’70. Il metodo Sanger è un metodo classico di sequenziamento del DNA che utilizza ddNTPs (dideossinucleotidi, N = A, T, G, o C) fluorescenti per impedire l’aggiunta di un altro nucleotide. Puoi vedere il nostro articolo ‘Sanger Sequencing: Introduzione, principio e protocollo’ per saperne di più su questo metodo.
Le tecnologie di sequenziamento di prossima generazione (NGS, noto anche come sequenziamento parallelo massivo) hanno ampiamente soppiantato il sequenziamento Sanger con vantaggi come l’alta produttività, l’efficienza dei costi e la rapidità. NGS può determinare l’ordine di milioni di frammenti simultaneamente. NGS è un sequenziamento a lettura breve che richiede la costruzione di una piccola libreria di frammenti, seguita da sequenziamento profondo, pre-elaborazione dei dati grezzi, allineamento della sequenza del DNA, assemblaggio, annotazione e analisi a valle.
Il sequenziamento emergente di terza generazione, noto anche come sequenziamento a lettura lunga, compreso il sequenziamento PacBio SMRT e il sequenziamento Oxford nanopore, può esaminare miliardi di modelli di DNA e RNA e rilevare contemporaneamente metilazioni variabili senza bias. I metodi a lettura lunga possono rilevare più variazioni, alcune delle quali non possono essere osservate con il solo sequenziamento a lettura breve.
Figura 1. La storia delle tecnologie di sequenziamento del DNA.
Applicazioni delle tecnologie di sequenziamento del DNA
Il sequenziamento del DNA rivela le informazioni genetiche che sono trasportate in un particolare segmento di DNA, un intero genoma o un microbioma complesso. Gli scienziati possono usare le informazioni sulla sequenza per determinare quali geni e istruzioni di regolazione sono contenuti nella molecola di DNA. La sequenza del DNA può essere esaminata per le caratteristiche dei geni, come le cornici di lettura aperte (ORF) e le isole CpG. Le sequenze di DNA omologhe di diversi organismi possono essere confrontate per l’analisi evolutiva tra specie o popolazioni. In particolare, il sequenziamento del DNA può rivelare cambiamenti in un gene che può causare una malattia.
Il sequenziamento del DNA è stato utilizzato in medicina, compresa la diagnosi e il trattamento delle malattie e gli studi epidemiologici. Il sequenziamento ha il potere di rivoluzionare la sicurezza alimentare e l’agricoltura sostenibile, compresa la salute animale, vegetale e pubblica, migliorando l’agricoltura attraverso un efficace allevamento di piante e animali e riducendo i rischi di epidemie. Inoltre, il sequenziamento del DNA può essere usato per proteggere e migliorare l’ambiente naturale sia per gli esseri umani che per la fauna selvatica.