Dit genom på få minutter:Ny nanoteknologi kan reducere sekventeringstiden

(PhysOrg.com) - Forskere fra Imperial College London udvikler teknologi, der i sidste ende kan sekvensere en persons genom på få minutter, til en brøkdel af omkostningerne ved nuværende kommercielle teknikker.

Forskerne har patenteret en tidlig prototypeteknologi, som de mener kan føre til et ultrahurtigt kommercielt DNA -sekventeringsværktøj inden for ti år. Deres arbejde er beskrevet i en undersøgelse, der blev offentliggjort i denne måned i tidsskriftet Nano bogstaver og den understøttes af Wellcome Trust Translational Award og Corrigan Foundation.

Forskningen tyder på, at forskere i sidste ende kunne sekvensere et helt genom i en enkelt laboratorieprocedure, der henviser til, at den på nuværende tidspunkt kun kan sekvenseres efter at være blevet brudt i stykker i en meget kompleks og tidskrævende proces. Hurtig og billig genom -sekvensering kunne give almindelige mennesker mulighed for at låse hemmelighederne ved deres eget DNA op, afsløre deres personlige modtagelighed over for sygdomme som Alzheimers, diabetes og kræft. Lægeeksperter bruger allerede genom-sekventering til at forstå befolkningsrelaterede sundhedsproblemer og forskningsmåder til at skræddersy individualiserede behandlinger eller forebyggelser.

Dr Joshua Edel, en af ​​forfatterne til undersøgelsen fra Institut for Kemi ved Imperial College London, sagde:"Sammenlignet med nuværende teknologi, denne enhed kan føre til meget billigere sekventering:bare et par dollars, sammenlignet med $ 1 mio. for at sekvensere et helt genom i 2007. Vi har ikke prøvet det på et helt genom endnu, men vores første forsøg tyder på, at du teoretisk set kunne lave en komplet scanning af de 3, 165 millioner baser i det menneskelige genom på få minutter, giver enorme fordele ved medicinske tests, eller DNA -profiler til politi- og sikkerhedsarbejde. Det skal være betydeligt hurtigere og mere pålideligt, og ville være let at skalere op for at oprette en enhed med kapacitet til at læse op til 10 millioner baser pr. sekund, kontra de typiske 10 baser i sekundet, du får med nutidens enkeltmolekyle i realtidsteknikker. "

I den nye undersøgelse, forskerne demonstrerede, at det er muligt at drive en DNA -streng med høj hastighed gennem et lille 50 nanometer (nm) hul - eller nanopore - skåret i en siliciumchip, ved hjælp af en elektrisk ladning. Da strengen kommer ud fra bagsiden af ​​chippen, dens kodningssekvens (baser A, C, T eller G) læses af et 'tunnelelektrodeforbindelse'. Dette 2 nm mellem to ledninger understøtter en elektrisk strøm, der interagerer med det distinkte elektriske signal fra hver basekode. En kraftfuld computer kan derefter fortolke basiskodens signal om at konstruere genomets sekvens, gør det muligt at kombinere alle disse veldokumenterede teknikker for første gang.

Sekvensering ved hjælp af nanoporer er længe blevet betragtet som den næste store udvikling inden for DNA -teknologi, takket være dets potentiale for høj hastighed og sekvensering med høj kapacitet. Imidlertid, design til en præcis og hurtig læser er ikke blevet demonstreret før nu.

Medforfatter Dr. Emanuele Instuli, fra Institut for Kemi ved Imperial College London, forklarede de udfordringer, de stod over for i denne forskning:"At få DNA -strengen gennem nanoporen er lidt som at suge spaghetti op. Indtil nu har det været svært at præcist justere krydset og nanoporen. Desuden har konstruktion af elektrodetråde med sådanne dimensioner nærmer sig atomskalaen og er effektivt ved grænsen af ​​eksisterende instrumentering. Men i dette eksperiment var vi i stand til at lave to bittesmå platinatråde til et elektrodeforbindelse med et mellemrum, der var tilstrækkeligt lille til, at elektronstrømmen kunne strømme mellem dem. "

Denne teknologi ville have flere forskellige fordele i forhold til nuværende teknikker, ifølge medforfatter, Aleksandar Ivanov fra Institut for Kemi på Imperial College London:"Nanopore -sekventering ville være en hurtig, enkel procedure, i modsætning til tilgængelige kommercielle metoder, som kræver tidskrævende og destruktive kemiske processer for at nedbryde og replikere små sektioner af DNA-molekylerne for at bestemme deres sekvens. Derudover disse siliciumchips er utrolig holdbare sammenlignet med nogle af de mere sarte materialer, der i øjeblikket bruges. De kan håndteres, vasket og genbrugt mange gange uden at forringe deres ydeevne. "

Tim Albrecht, en anden forfatter til undersøgelsen, fra Institut for Kemi ved Imperial College London, siger:"Det næste trin vil være at skelne mellem forskellige DNA -prøver og, ultimativt, mellem individuelle baser inden for DNA -strengen (dvs. ægte sekventering). Jeg tror, ​​vi kender vejen frem, men det er et udfordrende projekt, og vi skal tage mange flere trinvise trin, før vores vision kan realiseres. "