Forskere udvikler universel DNA-læser til at avancere hurtigere, billigere sekventeringsindsats

Forskere fra Arizona State University er kommet med et nyt twist i deres bestræbelser på at udvikle en hurtigere og billigere måde at læse den genetiske DNA-kode på. De har udviklet den første, alsidig DNA-læser, der kan skelne mellem DNA's fire kemiske kernekomponenter⎯nøglen til at låse op for den vitale kode bag menneskelig arv og sundhed.

Ledet af ASU Regents' professor Stuart Lindsay, direktør for Biodesign Instituttets Center for Enkeltmolekyle Biofysik, ASU-teamet er et af en håndfuld, der har modtaget stimuleringsmidler til et National Human Genome Research Initiative, en del af National Institutes of Health, at gøre DNA-genomsekventering lige så udbredt som et rutinemæssigt lægetjek.

Det overordnede mål med dette "$1000 genom"-initiativ er at udvikle en næste generations DNA-sekventeringsteknologi for at indvarsle en tidsalder for personlig medicin, hvor viden om en persons fuldstændige, 3 milliarder lang kode med DNA-information, eller genom, vil give mulighed for en mere skræddersyet tilgang til sygdomsdiagnostik og -behandling. Med de nuværende teknologier, der tager næsten et år at færdiggøre til en pris på flere hundrede tusinde dollars, mindre end 20 individer på planeten har fået sekventeret hele deres genom til dato.

For at gøre deres forskningsdrøm til virkelighed, Lindsays team har forestillet sig at bygge en lille, nanoskala DNA-læser, der kunne fungere som en supermarkedskassescanner, skelne mellem de fire kemiske bogstaver i den genetiske DNA-kode, forkortet til A, G, C, og T, som de hurtigt kommer forbi læseren.

For at gøre det, de havde brug for at udvikle den nanoteknologiske ækvivalent med at tråde et nåleøje. I dette tilfælde, DNA'et ville være tråden, der kunne genkendes, når den bevægede sig forbi læserens 'øje'. I løbet af de sidste par år, Lindsays team har gjort støt fremskridt, og demonstrerede først evnen til at læse individuelle DNA-sekvenser i 2008 - men denne tilgang var begrænset, fordi de skulle bruge fire separate læsere til at genkende hver af DNA-baserne. For nylig, de demonstrerede evnen til at føre DNA-sekvenser gennem det smalle hul i en grundlæggende byggesten af ​​nanoteknologi, kulstof nanorøret.

Lindsays team stoler på nanoteknologiens øjne, scanning tunneling- (STM) og atomic force- (ATM) mikroskoper, at foretage deres målinger. Mikroskoperne har en delikat elektrodespids, der holdes meget tæt på DNA-prøven.

I deres seneste innovation, Lindsays team lavede to elektroder, en på enden af ​​mikroskopsonden, og en anden på overfladen, der fik deres små ender kemisk modificeret for at tiltrække og fange DNA'et mellem et hul som en kemisk pincet. Mellemrummet mellem disse funktionaliserede elektroder skulle justeres for at finde den kemiske bindingssøde plet, så når en enkelt kemisk base af DNA passerede gennem en lille, 2,5 nanometer mellemrum mellem to guldelektroder, det klæber et øjeblik til elektroderne, og en lille stigning i strømmen registreres. Enhver mindre, og molekylerne ville være i stand til at binde sig i mange konfigurationer, forvirrende udlæsningen, større og mindre baser ville ikke blive opdaget.

"Det, vi gjorde, var at indsnævre antallet af typer bundne konfigurationer til kun én pr. DNA-base, " sagde Lindsay. "Det smukke ved fremgangsmåden er, at alle de fire baser lige passer til 2,5 nanometers afstanden, så det er one size fits all, men kun lige så!"

I denne skala, som kun er et par atomare diametre bred, kvantefænomener er på spil, hvor elektronerne faktisk kan lække fra den ene elektrode til den anden, tunnelerer gennem DNA-baserne i processen.

Hver af de kemiske baser i den genetiske DNA-kode, forkortet A, C, T eller G, giver en unik elektrisk signatur, når de passerer mellem hullet i elektroderne. Ved forsøg og fejl, og lidt serendipity, de opdagede, at kun en enkelt kemisk modifikation af begge elektroder kunne skelne mellem alle 4 DNA-baser.

"Vi har nu lavet en generisk DNA-sekvenslæser og er den første gruppe, der rapporterer påvisningen af ​​alle 4 DNA-baser i et tunnelgab, sagde Lindsay. kontrolforsøgene viser, at der er et vist (dårligt) niveau af diskrimination med selv bare elektroder (kontrolforsøgene), og det er i sig selv, også en første."

"Vi var ret overraskede over binding til bare elektroder, fordi ligesom mange fysikere, vi havde altid gået ud fra, at baserne bare ville vælte igennem. Men faktisk, enhver overfladekemiker vil fortælle dig, at baserne har svage kemiske interaktioner med metaloverflader."

Næste, Lindsays gruppe arbejder hårdt på at prøve at tilpasse læseren til at arbejde i vandbaserede løsninger, et kritisk praktisk trin for DNA-sekventeringsapplikationer. Også, holdet vil gerne kombinere læseevnerne med kulstofnanorørteknologien for at arbejde med at læse korte strækninger af DNA.

Hvis processen kan perfektioneres, DNA-sekventering kunne udføres meget hurtigere end den nuværende teknologi, og til en brøkdel af prisen. Først da vil løftet om personlig medicin nå et massepublikum.