Carbon nanorør viser løfte om højhastigheds genetisk sekventering

(PhysOrg.com) -- Hurtigere sekventering af DNA rummer et enormt potentiale for biologi og medicin, især til personlig diagnose og tilpasset behandling baseret på hver enkelts genomiske makeup. På nuværende tidspunkt dog sekventeringsteknologi forbliver besværlig og uoverkommelig for de fleste kliniske anvendelser, selvom dette kan ændre sig, takket være en række innovative nye teknikker.

I det aktuelle nummer af Videnskab , Stuart Lindsay, direktør for Arizona State University's Center for Single Molecule Biophysics ved Biodesign Institute, sammen med sine kolleger, demonstrerer potentialet i en sådan metode, hvor et enkeltstrenget DNA-bånd føres gennem et kulstofnanorør, producerer spændingsspidser, der giver information om passagen af ​​DNA-baser, når de passerer gennem røret - en proces kendt som translokation.

Carbon nanorør er alsidige, cylindriske strukturer brugt i nanoteknologi, elektronik, optik og andre områder inden for materialevidenskab. De er sammensat af carbonallotroper - forskellige arrangementer af carbonatomer, udviser unikke egenskaber af styrke og elektrisk ledningsevne.

Traditionelle metoder til at læse det genetiske script, består af fire nukleotidbaser, adenin, thymin, cytosin og guanin (mærket A, T, C, &G), typisk stole på at makulere DNA-molekylet i hundredtusindvis af stykker, læser disse forkortede afsnit og til sidst, rekonstruere den fulde genetiske sekvens ved hjælp af massiv computerkraft. For et årti siden, det første menneskelige genom - en sekvens på over 3 milliarder kemiske basepar - blev med succes afkodet, i en biologisk tour de force. Virksomheden krævede omkring 11 års omhyggelig indsats til en pris af $1 mia. Ud over besværligheden ved eksisterende teknikker, nøjagtigheden er kompromitteret, med fejl, der akkumuleres i forhold til antallet af fragmenter, der skal læses.

En ny strategi involverer brugen af ​​nanoporer - åbninger med molekylær diameter, der forbinder to væskereservoirer. En konstant spænding kan påføres mellem to elektroder placeret i hver ende af nanoporen, inducerer en ionstrøm til at strømme gennem længden af ​​nanoporens lukkede kanal. I denne skala, passagen af ​​selv et enkelt molekyle genererer en påviselig ændring i strømmen af ​​ionstrøm gennem poren. Denne strøm bliver derefter elektronisk forstærket og målt. Først for ganske nylig har avancerede mikro-fremstillingsteknikker gjort det muligt for forskere at konstruere nanoporer på størrelse med individuelle molekyler, åbner op for mange nye muligheder for enkelt-molekyle manipulation og forskning.

I den aktuelle undersøgelse, enkeltvæggede kulstof nanorør, 1-2 nm i diameter, blev brugt til de ledende kanaler. Når en strøm blev induceret gennem nanorøret, segmenter af enkeltstrenget DNA (kendt som oligomerer) bestående af enten 60 eller 120 nukleotider, blev trukket ind i åbningen af ​​nanorøret og translokeret fra anodesiden af ​​nanorøret til outputkatodesiden, på grund af den negative ladning, som DNA-molekylet bærer. Hastigheden af ​​DNA-translokation er afhængig af både nukleotidstrukturen og molekylvægten af ​​DNA-prøven.

Kulstofnanorørene blev dyrket på en oxideret siliciumwafer. Resultater tyder på, at blandt de med succes dannede nanorør - dem, der er fuldt åbne og uden lækage langs deres længde - detekteres en skarp stigning i elektrisk aktivitet under processen med DNA-translokation. Yderligere, vending af forspændingen af ​​elektroderne får strømspidserne til at forsvinde; genskabelse af den oprindelige skævhed fik spidserne til at dukke op igen.

Lindsay understreger, at den transiente strøm pulserer, hver indeholder omkring 10x7 ladninger, repræsenterer en enorm forstærkning af den translokerede ladning. En teknik kendt som kvantitativ polymerasekædereaktion (qPCR) blev brugt til at verificere, at de særlige kulstofnanorør viser disse unormalt skarpe strømspidser - omkring 20 procent af den samlede prøve, var faktisk dem, hvorigennem DNA-translokation var sket.

Holdet udførte molekylære simuleringer for at forsøge at bestemme mekanismen for de unormalt store ionstrømme, der detekteres i nanorørene. Observation af strøm-spændingskurver registreret ved varierende ionkoncentrationer viste, at ionbevægelse gennem nogle af rørene er meget usædvanlig, Selvom forståelsen af ​​den præcise mekanisme, hvorved DNA-translokation giver anledning til de observerede strømspidser, vil kræve yderligere modellering. Alligevel, det karakteristiske elektriske signal fra DNA-translokation gennem rør med høj ionkonduktans kan give en yderligere forfining i de igangværende bestræbelser på at anvende nanopore-teknologi til hurtig DNA-sekventering.

Kritisk for vellykket hurtig sekventering gennem nanoporer er den præcise kontrol af DNA-translokation. Håbet er, at genetisk læsning kan fremskyndes betydeligt, mens der stadig er tid nok til, at DNA-baser kan identificeres af elektriske strømspor. Carbon nanorør giver et attraktivt alternativ, gør kontrollen af ​​nanopore-karakteristika nemmere og mere pålidelig.

Hvis processen kan perfektioneres, Lindsay understreger, DNA-sekventering kunne udføres tusindvis af gange hurtigere end gennem eksisterende metoder, til en brøkdel af prisen. Realisering af én-patient-én-genom-målet med personlig medicin ville give essentiel diagnostisk information og hjælpe pionerer med individualiserede behandlinger for en bred vifte af sygdomme.