Hurtigere, billigere DNA-sekventeringsmetode udviklet

(PhysOrg.com) - Boston Universitys biomedicinske ingeniører har udtænkt en metode til at gøre fremtidig genomsekventering hurtigere og billigere ved dramatisk at reducere mængden af ​​krævet DNA, dermed eliminere det dyre, tidskrævende og fejltilbøjelige trin i DNA-amplifikation.

I en undersøgelse offentliggjort i onlineudgaven af ​​Nature Nanotechnology den 20. december, et team ledet af Boston University Biomedical Engineering lektor Amit Meller beskriver banebrydende arbejde med at detektere DNA-molekyler, når de passerer gennem siliciumnanoporer. Teknikken bruger elektriske felter til at føde lange DNA-strenge gennem fire nanometer brede porer, meget som at tråde en nål. Metoden bruger følsomme elektriske strømmålinger til at detektere enkelte DNA-molekyler, når de passerer gennem nanoporerne.

"Den aktuelle undersøgelse viser, at vi kan påvise en meget mindre mængde DNA-prøve end tidligere rapporteret, " sagde Meller. "Når folk begynder at implementere genomsekventering eller genomprofilering ved hjælp af nanoporer, de kunne bruge vores nanopore capture-tilgang til i høj grad at reducere antallet af kopier, der bruges i disse målinger."

I øjeblikket, genom-sekventering bruger DNA-amplifikation til at lave milliarder af molekylære kopier for at producere en prøve, der er stor nok til at blive analyseret. Ud over den tid og omkostninger DNA-amplifikation medfører, nogle af molekylerne - som fotokopier af fotokopier - bliver mindre end perfekte. Meller og hans kolleger på BU, New York University og Bar-Ilan University i Israel har udnyttet elektriske felter, der omgiver mundingen af ​​nanoporerne for at tiltrække lange, negativt ladede DNA-strenge og glide dem gennem nanoporen, hvor DNA-sekvensen kan påvises. Da DNA'et trækkes til nanoporerne på afstand, der er brug for langt færre kopier af molekylet.

Før du opretter denne nye metode, holdet skulle udvikle en forståelse af elektrofysik på nanoskala, hvor de regler, der styrer den større verden, ikke nødvendigvis gælder. De gjorde en kontraintuitiv opdagelse:jo længere DNA-strengen er, jo hurtigere fandt den poreåbningen.

"Det er virkelig overraskende, " sagde Meller. "Du ville forvente, at hvis du har en længere 'spaghetti, Så ville det være meget sværere at finde enden. Samtidig betyder denne opdagelse, at nanoporesystemet er optimeret til påvisning af lange DNA-strenge - titusindvis af basepar, eller endnu mere. Dette kan dramatisk fremskynde fremtidig genomisk sekventering ved at tillade analyse af en lang DNA-streng i ét svirp, frem for at skulle samle resultater fra mange korte uddrag.

"DNA-amplifikationsteknologier begrænser DNA-molekylelængden til under tusinde basepar, " tilføjede Meller. "Fordi vores metode undgår amplifikation, det reducerer ikke kun omkostningerne, tid og fejlrate for DNA-replikationsteknikker, men muliggør også analyse af meget lange DNA-strenge, meget længere end de nuværende begrænsninger."

Med denne viden i hånden, Meller og hans team satte sig for at optimere effekten. De brugte saltgradienter til at ændre det elektriske felt omkring porerne, hvilket øgede hastigheden, hvormed DNA-molekyler blev fanget, og forkortede forsinkelsestiden mellem molekyler, dermed reducere den mængde DNA, der er nødvendig for nøjagtige målinger. I stedet for at flyde rundt, indtil de stødte på en nanopore, DNA-strenge blev ledet ind i åbningerne.

Ved at øge fangsthastigheden med nogle få størrelsesordener, og ved at reducere volumenet af prøvekammeret reducerede forskerne antallet af krævede DNA-molekyler med en faktor på 10, 000 - fra omkring 1 milliard prøvemolekyler til 100, 000.