Nanofluidics sorterer DNA til kræftforskning

(Phys.org) -- Cornell nanoteknologiske forskere har udtænkt et nyt værktøj til at studere epigenetiske ændringer i DNA, der kan forårsage kræft og andre sygdomme:en nanoskala fluidisk enhed, der sorterer og indsamler DNA, et molekyle ad gangen.

Epigenetik refererer til kemiske ændringer i DNA, der ikke ændrer den faktiske genetiske kode, men kan påvirke ekspressionen af ​​gener og kan overføres, når celler formerer sig. En af de vigtigste er DNA-methylering, hvor methylgrupper - små strukturer af kulstof og hydrogen - er knyttet til DNA. Biologer studerer dette ved kemisk at udfælde de methylerede molekyler, men disse metoder kræver store prøver og beskadiger eller smider ofte molekyler, de skal finde. Nanofluidics tilbyder en måde at vælge individuelle molekyler ud af små prøver og indsamle dem til yderligere undersøgelse.

Den nye enhed, udviklet i laboratoriet af Harold Craighead, Charles W. Lake Jr. professor i ingeniørvidenskab, er beskrevet i den tidlige onlineudgave af den 21. maj Procedurer fra National Academy of Sciences .

Processen begynder med en biokemisk reaktion, der vedhæfter et fluorescerende mærke til methylerede DNA -molekyler. Derefter bliver prøven drevet gennem en nanofluidisk kanal omkring 250 nanometer på tværs - så lille, at DNA-molekyler går igennem et ad gangen. Lasere oplyser strømmen og forårsager fluorescens. Når et fluorescerende molekyle går forbi, en detektor udløser et pulserende elektrisk felt, der skubber molekylet til den ene side, lige før kanalen deler sig i et Y. Methylerede molekyler går ned ad en gren, alt andet ned ad den anden.

"Farveidentiteten bliver en stregkode for, hvordan molekylerne behandles, " forklarede Ben Cipriany, Ph.D. '12, ledende forsker i projektet, drage en analogi til de metoder, som posthuset bruger til at sortere pakker på et transportbånd. "Til sidst kunne vi bruge flere farver, hver repræsenterer en anden epigenetisk egenskab, " han tilføjede.

Enheden reagerer så hurtigt, at den kan sortere mere end 500 molekyler i minuttet, sagde forskerne. Fluorescerende sortering er ikke nyt, de bemærkede, men tidligere er det kun blevet gjort med større materialer, såsom nanopartikler eller celler.

"Vi har lavet en miniaturiseret version, der sorterer individuelle molekyler og arbejder med en meget lille mængde inputmateriale, " sagde Cipriany.

For at teste deres metode, forskerne observerede fluorescens i hver arm af Y. De indsamlede også den lille prøve af molekyler, der var blevet sorteret fra som methylerede, amplificerede den ved hjælp af PCR (polymeriseret kædereaktion) metode, der er velkendt for organiske kemikere og analyserede den resulterende prøve. Falske positiver var begrænset til omkring 1-2 procent, som kan sammenlignes med andre sorteringsmetoder, de sagde.

Det sorterede output kunne dirigeres til et yderligere mikrofluidisk system til automatiseret gensekventering, forskerne foreslog. Metoden kunne også tilpasses til andre molekyle-separationsopgaver, tilføjede de.

Forskningen blev støttet af National Institutes of Health, Cornell Center for Invertebrate Genetics og National Cancer Institute. Nanofabication blev udført på Cornell NanoScale Science and Technology Facility, finansieret af National Science Foundation.

Cipriany, der begyndte denne forskning som en del af sin ph.d. studier hos Cornell, er nu på IBM Semiconductor Research and Development Center i Hopewell Junction, N.Y.