En ny læsning om DNA -sekventering

En ny teknik til at læse DNA-koden er afhængig af en grundlæggende egenskab ved stof kendt som kvantetunneling, som opererer på subatomær skala. Det aktuelle papir viser, at enkelte baser inde i en DNA-kæde faktisk kan aflæses med tunneling, uden indblanding fra nabobaser, peger vejen til lave omkostninger, hurtig DNA-sekventering.

Vridningen, stige-lignende form af DNA-molekylet-den arkitektoniske grundplan for livet-indeholder et univers af information, der er kritisk for menneskers sundhed. En enorm indsats er blevet investeret i at tyde den genetiske kode, inklusive, mest berømt, det menneskelige genom -projekt. Alligevel, processen med at læse nogle tre milliarder nukleotid "bogstaver" for at afsløre et individs fulde genom er stadig en dyr og kompleks virksomhed.

Nu biofysiker Stuart Lindsay, fra Biodesign Institute ved Arizona State University, har demonstreret en teknik, der kan føre til hurtig, billig læsning af hele genomer, gennem genkendelse af de grundlæggende kemiske enheder - nukleotidbaserne, der udgør DNA-dobbelthelixen. En overkommelig teknik til DNA-sekventering ville være et enormt fremskridt for medicin, muliggør rutinemæssig klinisk genomisk screening til diagnostiske formål; design af en ny generation af specialtilpassede lægemidler; og endda genomisk tinkering for at forbedre cellulær resistens over for viral eller bakteriel infektion.

Lindsay er en ASU Regents 'professor og Carson præsidentformand for fysik og kemi samt direktør for Biodesign Institute's Center for Single Molecule Biophysics. Hans gruppes forskning optræder i det aktuelle nummer af tidsskriftet Naturnanoteknologi .

Lindsays teknik til at læse DNA-koden er afhængig af en grundlæggende egenskab ved stof kendt som kvantetunnelering, som opererer på subatomær skala. Ifølge kvanteteorien, elementære partikler som elektroner kan gøre nogle meget mærkelige og kontraintuitive ting, i strid med klassiske fysiske love. Sådan sub-atom, kvantevæsener har både en partikel og en bølgelignende natur. En del af konsekvensen af ​​dette er, at en elektron har en vis sandsynlighed for at bevæge sig fra den ene side af en barriere til den anden, uanset højden eller bredden af ​​en sådan barriere.

Bemærkelsesværdigt, en elektron kan udføre denne bedrift, selv når barrierens potentielle energi overstiger partikelens kinetiske energi. Sådan adfærd er kendt som kvantetunnel, og strømmen af ​​elektroner er en tunnelstrøm. Tunneling er begrænset til små afstande - så små, at en tunnelforbindelse burde kunne læse en DNA-base (der er fire af dem i den genetiske kode, EN, T, C og G) ad gangen uden indblanding fra flankerende baser. Men den samme følsomhed over for afstand betyder, at vibrationer i DNA'et, eller mellemliggende vandmolekyler, ødelægge tunnelsignalet. Så Lindsay -gruppen har udviklet "genkendelsesmolekyler", der "griber fat" i hver base efter tur, spænder basen mod elektroderne, der læser signalet. De kalder denne nye metode for "anerkendelse tunneling."

Det nuværende papir i Nature Nanotechnology viser, at enkelte baser inde i en DNA -kæde faktisk kan aflæses med tunneling, uden indblanding fra nabobaser. Hver base genererer et særskilt elektronisk signal, strømspidser af en bestemt størrelse og frekvens, der tjener til at identificere hver base. Overraskende, Teknikken genkender endda en lille kemisk ændring, som naturen nogle gange bruger til at finjustere ekspressionen af ​​gener, den såkaldte "epigenetiske" kode. Mens en persons genetiske kode er den samme i hver celle, den epigenetiske kode er vævs- og cellespecifik og i modsætning til selve genomet, epigenomet kan reagere på miljøændringer i løbet af et individs liv.

For at læse længere DNA-længder, Lindsays gruppe arbejder på at koble tunnellæsningen til en nanopore - et lille hul, hvorigennem DNA trækkes, en base ad gangen, af et elektrisk felt. Papiret i Nature Nanotechnology har også noget at sige om dette problem. "Det er altid blevet antaget, at problemet med at føre DNA gennem en nanopore er, at det flyver igennem så hurtigt, at der ikke er tid til at læse sekvensen," siger Lindsay. Overraskende, tunnelsignalerne rapporteret i Nanture Nanoteknologi papir holder længe - næsten et sekund pr. læst base.

For at teste dette resultat, Lindsay gik sammen med en kollega, Robert Ros, for at måle, hvor hårdt man skal trække for at bryde komplekset af en DNA -base plus genkendelsesmolekylerne. Det gjorde de med et atomkraftmikroskop. "Disse målinger bekræftede kompleksets lange levetid, og viste også, at læsetiden kunne fremskyndes efter behag ved anvendelse af en lille ekstra trækkraft "siger Ros." Dermed er scenen indstillet til at kombinere tunnellæsninger med en enhed, der passerer DNA gennem en nanopore "siger Lindsay.

Sekvensering gennem genkendelsestunneling, hvis det viser sig at være vellykket for hele genomet, kunne repræsentere en betydelig besparelse i omkostninger og forhåbentlig, også i tide. Eksisterende metoder til DNA-sekventering er typisk afhængige af at skære det fulde molekyle i tusindvis af komponentbits, at klippe stigen af ​​komplementære baser fra hinanden og læse disse fragmenter. Senere, stykkerne skal omhyggeligt samles igen, ved hjælp af massiv computerkraft. "Direkte udlæsning af den epigenetiske kode har nøglen til at forstå, hvorfor celler i forskellige væv er forskellige, på trods af det samme genom "tilføjer Lindsay, en reference til den nye evne til at læse epigenetiske modifikationer med tunneling.

Lindsay understreger, at der mangler meget arbejde, før anvendelsen af ​​sekventering ved genkendelse kan blive en klinisk realitet. "Lige nu, vi kan kun læse to eller tre baser, når tunnelsonden siver hen over dem, og nogle baser identificeres mere præcist end andre, " siger han. Men gruppen forventer, at dette forbedres, efterhånden som fremtidige generationer af genkendelsesmolekyler syntetiseres.

"Den grundlæggende fysik er nu demonstreret" siger Lindsay, tilføjer "måske vil det snart være muligt at indarbejde disse principper i masseproducerede computerchips." Dagen for "genomet på en lap-top" kommer måske hurtigere end tidligere antaget muligt.