Nanoskala DNA-sekventering kunne anspore revolution inden for personlig sundhedspleje

I eksperimenter med potentielt brede sundhedsmæssige implikationer, et forskerhold ledet af en fysiker fra University of Washington har udtænkt en metode, der fungerer i meget lille skala til at sekventere DNA hurtigt og relativt billigt.

Det kunne åbne døren for mere effektiv individualiseret medicin, for eksempel at levere tegninger af genetiske dispositioner for specifikke tilstande og sygdomme som kræft, diabetes eller afhængighed.

"Håbet er, at folk om 10 år vil have alt deres DNA sekventeret, og dette vil føre til personlig, prædiktiv medicin, sagde Jens Gundlach, en UW fysikprofessor og hovedforfatter til et papir, der beskriver den nye teknik, offentliggjort i ugen den 16. august i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Teknikken skaber en DNA-læser, der kombinerer biologi og nanoteknologi ved hjælp af en nanopore taget fra Mycobacterium smegmatis porin A. Nanoporen har en åbning på 1 milliardtedel meter i størrelse, lige stor nok til at måle en enkelt DNA-streng, når den passerer igennem.

Forskerne placerede poren i en membran omgivet af kaliumchloridopløsning. En lille spænding blev påført for at skabe en ionstrøm, der strømmer gennem nanoporen, og strømmens elektriske signatur ændrede sig afhængigt af nukleotiderne, der rejser gennem nanoporen. Hvert af de nukleotider, der er essensen af ​​DNA - cytosin, guanin, adenin og thymin - producerede en karakteristisk signatur.

Holdet skulle løse to store problemer. Den ene var at skabe en kort og smal åbning lige stor nok til at tillade en enkelt DNA-streng at passere gennem nanoporen og til at kun et enkelt DNA-molekyle til enhver tid kunne være i åbningen. Michael Niederweis ved University of Alabama i Birmingham modificerede M. smegmatis-bakterien for at producere en passende pore.

Det andet problem, Gundlach sagde, var, at nukleotiderne strømmede gennem nanoporen med en hastighed på én hver milliontedel af et sekund, alt for hurtigt til at sortere signalet fra hvert DNA-molekyle. For at kompensere, forskerne vedhæftede et afsnit af dobbeltstrenget DNA mellem hvert nukleotid, de ønskede at måle. Den anden streng ville kortvarigt fange på kanten af ​​nanoporen, standse strømmen af ​​DNA længe nok til, at det enkelte nukleotid kan holdes i nanopore DNA-læseren. Efter et par millisekunder, den dobbeltstrengede sektion ville adskilles, og DNA-strømmen fortsatte, indtil en anden dobbeltstreng blev stødt på, tillader det næste nukleotid at blive læst.

Forsinkelsen, selvom målt i tusindedele af et sekund, er lang nok til at læse de elektriske signaler fra målnukleotiderne, sagde Gundlach.

"Vi kan praktisk talt læse DNA-sekvensen fra et oscilloskopspor, " han sagde.

Udover Gundlach og Niederweiss, andre forfattere er Ian Derrington, Tom Butler, Elizabeth Manrao og Marcus Collins fra UW; og Mikhail Pavlenok i Alabama-Birmingham.

Arbejdet blev finansieret af National Institutes of Health og dets National Human Genome Research Institute som en del af et program til at skabe teknologi til at sekventere et menneskeligt genom for $1, 000 eller mindre. Dette program startede i 2004, da det kostede i størrelsesordenen 10 millioner dollars at sekventere et genom i menneskestørrelse.

Den nye forskning er et stort skridt i retning af at opnå DNA-sekventering til en pris af $1, 000 eller mindre.

"Vores eksperimenter skitserer en ny og grundlæggende meget enkel sekventeringsteknologi, som vi håber nu kan udvides til en mekaniseret proces, " sagde Gundlach.