Læsning af livets byggesten:Forskere udvikler værktøjer til at fremskynde DNA-sekventering

Forskere er et skridt tættere på en revolution inden for DNA-sekventering, efter udviklingen i et Harvard-laboratorium af en lillebitte enhed designet til at aflæse de minimale elektriske ændringer, der produceres, når DNA-strenge føres gennem bittesmå huller - kaldet nanoporer - i en elektrisk ladet membran.

Som beskrevet i Natur nanoteknologi den 11. december, et forskerhold ledet af Charles Lieber, Mark Hyman Jr. professor i kemi, det er lykkedes for første gang at skabe en integreret nanoporedetektor, en udvikling, der åbner døren til skabelsen af ​​enheder, der kunne bruge arrays af millioner af de mikroskopiske huller til at sekventere DNA hurtigt og billigt.

Første gang beskrevet for mere end 15 år siden, nanopore-sekventering måler subtile elektriske strømændringer produceret, når de fire basemolekyler, der udgør DNA, passerer gennem poren. Ved at læse disse ændringer, forskere kan effektivt sekventere DNA.

Men at læse disse subtile ændringer i strømmen er langt fra let. En række udfordringer - fra hvordan man registrerer de små ændringer i strøm til hvordan man skalerer op i sekventeringsprocessen - betød, at processen aldrig har været mulig i stor skala. Lieber og hans team, imidlertid, mener, at de har fundet en samlet løsning på de fleste af disse problemer.

"Indtil vi udviklede vores detektor, der var ingen måde at lokalt måle ændringerne i strøm, " sagde Lieber. ”Vores metode er ideel, fordi den er ekstremt lokaliseret. Vi kan bruge alt det eksisterende arbejde, der er blevet udført på nanoporer, men med en lokal detektor er vi et skridt tættere på at revolutionere sekventering fuldstændigt."

Detektoren udviklet af Lieber og hans team voksede ud af tidligere arbejde med nanotråde. Ved at bruge de ultratynde ledninger som en nanoskala transistor, de er i stand til at måle ændringerne i strømmen mere lokalt og præcist end nogensinde før.

"Nanowire-transistoren måler den elektriske potentialeændring ved poren og forstærker effektivt signalet, " sagde Lieber. "Ud over et større signal, som giver os mulighed for at læse tingene meget hurtigere. Det er vigtigt, fordi DNA er så stort [at] gennemløbet for enhver sekventeringsmetode skal være højt. I princippet, denne detektor kan arbejde ved gigahertz-frekvenser."

Den meget lokaliserede måling åbner også døren til parallel sekvensering, som bruger arrays af millioner af porer til at fremskynde sekventeringsprocessen dramatisk.

Ud over potentialet for i høj grad at forbedre hastigheden af ​​sekventering, den nye detektor har løftet om dramatisk at reducere omkostningerne ved DNA-sekventering, sagde Ping Xie, en associeret af Institut for Kemi og Kemisk Biologi og medforfatter til papiret, der beskriver forskningen.

Nuværende sekventeringsmetoder starter ofte med en proces kaldet polymerasekædereaktionen, eller DNA-amplifikation, som kopierer en lille mængde DNA tusindvis af millioner gange, gør det nemmere at rækkefølge. Selvom det er kritisk vigtigt for biologien, processen er dyr, kræver kemiske forsyninger og dyrt laboratorieudstyr.

I fremtiden, Xie sagde, det vil være muligt at bygge nanopore-sekventeringsteknologien på en siliciumchip, tillader læger, forskere, eller endda den gennemsnitlige person til at bruge DNA-sekventering som et diagnostisk værktøj.

Gennembruddet fra Liebers team kan snart gøre overgangen fra laboratorium til kommercielt produkt. Harvard Office of Technology Development arbejder på en strategi for at kommercialisere teknologien korrekt, herunder licenserer det til en virksomhed, der planlægger at inkorporere det i deres DNA-sekventeringsplatform.

"Lige nu, vi er begrænset i vores evne til at udføre DNA-sekventering, " sagde Xie. "Nuværende sekvenseringsteknologi er der, hvor computere var i 50'erne og 60'erne. Det kræver meget udstyr og er meget dyrt. Men kun 50 år senere, computere er overalt, selv i lykønskningskort. Vores detektor åbner døren til at tage blodprøver og straks vide, hvad en patient er inficeret med, og meget hurtigt træffer behandlingsbeslutninger."

Denne historie er offentliggjort med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitys officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.