Revolutionerende mikroskop og mærkningsteknik kortlægger DNA-mutationer

Et team af forskere, der arbejder ved University of Bristol, har udviklet et nyt nanomapping-mikroskop - drevet af laseren og optikken, der findes i en typisk dvd-afspiller.

Den nye teknologi bliver brugt til at transformere den måde, sygdomsfremkaldende genetiske mutationer diagnosticeres og opdages på.

Dette mikroskop kortlægger hundredvis af kemisk stregkodede DNA-molekyler hvert sekund i en teknik udviklet i samarbejde med et hold amerikanske videnskabsmænd ledet af professor Jason Reed ved Virginia Commonwealth University.

Professor Reeds team bruger CRISPR-Cas9 til at mærke molekylerne, så de kan kortlægges næsten lige så nøjagtigt som DNA-sekventering, samtidig med at de behandler store dele af genomet i en meget hurtigere hastighed.

Brug af hylde DVD-komponenter, Bristol-teamet overladede deres atomkraftmikroskop (AFM) for at sætte det i stand til fysisk at kortlægge længderne af individuelle DNA-molekyler til en opløsning på snesevis af basepar med hastigheder på hundredvis i sekundet.

Denne hidtil usete hastighedsforøgelse gør det muligt for første gang at bruge denne DNA-stregkodningsmetode til diagnostik i den virkelige verden.

IBM-forskere skabte overskrifter i 1989, da de udviklede AFM-teknologi og brugte en beslægtet teknik til at omarrangere molekyler på atomniveau for at stave 'IBM'.

AFM opnår dette detaljeringsniveau ved at bruge en mikroskopisk stylus - svarende til en nål på en pladespiller - der næsten ikke kommer i kontakt med overfladen af ​​det materiale, der studeres.

Samspillet mellem pennen og molekylerne skaber billedet. Imidlertid, traditionel AFM er for langsom til medicinske anvendelser, og derfor bruges den primært af ingeniører inden for materialevidenskab.

Mikroskopet måler enkelte DNA-molekyler med subatomær opløsning, mens det skaber billeder på op til en million basepar i størrelse. Og det gør det ved at bruge en brøkdel af den mængde prøve, der kræves til DNA-sekventering, reducerer måletiden dramatisk.

Dr. Oliver Payton fra University of Bristol's School of Physics, var med til at opfinde nanomapping-mikroskopet. Han sagde:"Ved at bruge laserfokuseringsmekanismen, der findes i hver DVD-afspiller, har vi bygget et mikroskop, der har opløsningen og hastigheden til at måle hvert molekyle på prøveoverfladen i 3-D.

"Selvom andre typer mikroskoper har opløsningen til at se disse DNA-molekyler, er de tusindvis af gange langsommere, og det ville tage år at stille en sikker diagnose.

"Ikke kun er vores mikroskop perfekt til disse medicinske anvendelser, men på grund af de let tilgængelige DVD-afspillerkomponenter kan den masseproduceres."

CRISPR har lavet mange overskrifter på det seneste med hensyn til genredigering. CRISPR er et enzym, som forskere har været i stand til at 'programmere' ved hjælp af målrettet ribonukleinsyre (RNA) for at skære DNA på præcise steder, som cellen derefter reparerer på egen hånd.

Den geniale kemiske stregkodningsmetode udviklet af professor Reeds team ændrer de kemiske reaktionsbetingelser for CRISPR-enzymet, så det kun klæber til DNA'et og faktisk ikke skærer det.

Han sagde:"Fordi CRISPR-enzymet er et protein, der er fysisk større end DNA-molekylet, den er perfekt til denne stregkodningsapplikation.

"Vi var forbløffede over at opdage, at denne metode er næsten 90 procent effektiv til at binde til DNA-molekylerne. Og fordi det er nemt at se CRISPR-proteinerne, du kan spotte genetiske mutationer blandt mønstrene i DNA."

For at demonstrere teknikkens effektivitet, forskere kortlagde genetiske translokationer til stede i lymfeknudebiopsier af lymfompatienter.

Translokationer opstår, når en del af DNA'et bliver kopieret og indsat det forkerte sted i genomet. De er især udbredt i blodkræft såsom lymfom, men forekommer også i andre kræftformer.