Undersøgelsesspørgsmål gennemførlighed af hele genomsekventering på få minutter

Påstanden om, at nanopore-teknologi er på nippet til at gøre DNA-analyse så hurtig og billig, at en persons hele genom kan sekventeres på få minutter og til en brøkdel af prisen for tilgængelige kommercielle metoder, har resulteret i overvældende akademisk, industriel, og global interesse. Men en anmeldelse af Northeastern University fysiker Meni Wanunu, udgivet i et særnummer om nanopore-sekventering i Livsfysik anmeldelser , stiller spørgsmålstegn ved, om de resterende tekniske forhindringer kan overvindes for at skabe en brugbar, let produceret kommercielt apparat.

Tidligere på året Oxford Nanopore Technologies, en af ​​banebrydende virksomheder inden for sekventeringsopdagelser, annonceret, at de forventer, at nanopore-strengsekventering vil opnå et 15-minutters genom i 2014 til en pris af $1, 500. Dette er langt fra de 10 millioner dollars, det kostede at sekventere et helt genom for bare 5 år siden.

Siden ideen om nanopore-sekventering først blev foreslået i midten af ​​1990'erne, der er gjort store fremskridt. Den grundlæggende idé er overordentlig enkel:en enkelt DNA-tråd føres gennem et lille molekylestørrelse hul - eller nanopore - og de forskellige DNA-baser identificeres i rækkefølge, når de bevæger sig gennem poren.

Men ifølge Wanunu, virkeligheden med at manipulere teknologi baseret på porer så små, at 25, 000 af dem kan passe side om side på et menneskehår har vist sig at være en skræmmende opgave. Hovedudfordringen har været at bremse processen og kontrollere bevægelsen af ​​DNA-strengen gennem poren med en hastighed, der er langsom nok til at gøre individuelle DNA-baser læsbare og brugbare. En ny tilgang ved hjælp af enzym-kontrolleret bevægelse, udviklet til at overvinde dette problem, har sine egne ulemper, herunder dårlig enzymaktivitet, hvilket resulterer i begrænset processivitet og ukontrolleret frem-tilbagegående bevægelse.

Et andet stort dilemma har været, om protein- eller faststofporer giver den mest lovende teknik. I første omgang, naturligt forekommende porøse proteiner blev undersøgt. Men i begyndelsen af ​​2000'erne, bebudet som at tilbyde bedre kapacitet og fleksibilitet, forskellige faststof-nanoporer lavet af silicium eller grafen blev testet. "Da både lipid-indlejrede proteinkanaler og faststof-nanoporer har ulemper, det bliver spændende at se hvilken enhed, eller hvilken kombination af enheder, vil være tilgængelig i de kommende år, hvis nogen, " siger Wanunu.

På dette tidspunkt er der stadig mange forhindringer at overvinde, tilføjer han, herunder nanoporernes manglende evne til at give spektroskopisk information om identiteten af ​​et molekyle, usikkerhed om, hvorvidt translokation sker med konstant hastighed, og komplikationerne ved poretilstopning.

Skriver i en kommentar offentliggjort i samme nummer, John Kasianowicz fra National Institute of Standards and Technology i USA, en pioner på området, er enig i, at der stadig er masser af udfordringer:"Der er faktisk stadig mange problemer at tage fat på for at muliggøre praktiske elektroniske nanopore-baserede sensorenheder. ved bedre at forstå vejen, der allerede er udviklet i dette spirende felt, rejsen vil forhåbentlig virke lidt mindre skræmmende, "

I en sidste kommentar til Wanunus anmeldelse, grundlæggeren og direktøren for Oxford Nanopore, Hagan Bayley, ser frem til fremtiden:"På længere sigt, ved at bruge faststofporer... kan det være muligt at læse DNA-sekvenser ved mikrosekunder i stedet for millisekunder pr. base. Dette kunne gøres ved at bruge tunnelstrømme eller andre egenskaber ved DNA-baserne, for hvilke grafen - med dets usædvanlige elektroniske egenskaber - efter yderligere udvikling kan give et overlegent substrat og dermed levere endnu et massivt spring fremad oven på et årti med hidtil uset fremskridt ."