Forskere bevæger sig ultrahurtigt, lavpris DNA-sekventeringsteknologi et skridt tættere på virkeligheden

Et team af forskere fra Arizona State University's Biodesign Institute og IBM's T.J. Watson Research Center har udviklet en prototype af DNA-læser, der kan gøre hele genomprofilering til en daglig praksis inden for medicin.

"Vores mål er at sætte billigt, enkle og kraftfulde DNA- og proteindiagnostiske anordninger til hver enkelt læges kontor, " sagde Stuart Lindsay, en ASU fysikprofessor og direktør for Biodesigns Center for Single Molecule Biophysics. En sådan teknologi kan hjælpe med at indlede en tidsalder med personlig medicin, hvor information fra en persons komplette DNA- og proteinprofiler kunne bruges til at designe behandlinger, der er specifikke for deres individuelle makeup.

En sådan spilskiftende teknologi er nødvendig for at gøre genomsekventering til en realitet. Den nuværende forhindring er at gøre det for mindre end $1, 000, et beløb, som forsikringsselskaber er mere tilbøjelige til at yde refusion for.

I deres seneste forskningsgennembrud, holdet lavede en lille, DNA-læseanordning, der er tusindvis af gange mindre end bredden af ​​et enkelt menneskehår.

Enheden er følsom nok til at skelne de individuelle kemiske baser af DNA (kendt ved deres forkortede bogstaver A, C, T eller G), når de pumpes forbi læsehovedet.

Proof-of-concept blev demonstreret, ved at bruge opløsninger af de enkelte DNA-baser, som gav klare signaler, der var følsomme nok til at detektere små mængder DNA (nanomolære koncentrationer), endnu bedre end nutidens state-of-the-art, såkaldt næste generations DNA-sekventeringsteknologi.

At lave solid-state-enheden er ligesom at lave en sandwich, blot med ultra højteknologiske halvlederværktøjer, der bruges til at skære og stable lag af kød og oste i atomstørrelse som slagterbutikkens blok. Hemmeligheden er at lave skiver og stable lagene lige så, at omdanne DNA'ets kemiske information til en ændring i det elektriske signal.

Først, de lavede en "sandwich" bestående af to metalelektroder adskilt af et to nanometer tykt isolerende lag (en enkelt nanometer er 10, 000 gange mindre end et menneskehår), lavet ved at bruge en halvlederteknologi kaldet atomlagsaflejring.

Derefter skæres et hul gennem sandwichen:DNA-baser inde i hullet aflæses, når de passerer mellemrummet mellem metallagene.

"Teknologien, vi har udviklet, er måske bare det første store skridt i at bygge en enkeltmolekyle-sekventeringsenhed baseret på almindelig computerchipteknologi, " sagde Lindsay.

"Tidligere forsøg på at lave tunnelforbindelser til aflæsning af DNA havde en elektrode vendt mod en anden på tværs af et lille mellemrum mellem elektroderne, og mellemrummene skulle justeres i hånden. Dette gjorde det umuligt at bruge computerchipfremstillingsmetoder til at fremstille enheder, " sagde Lindsay.

"Vores tilgang til at definere mellemrummet ved at bruge et tyndt lag dielektrisk (isolerende) materiale mellem elektroderne og blotlægge dette mellemrum ved at bore et hul gennem lagene er meget lettere, sagde han. Hvad mere er, den genkendelsestunnelteknologi, vi har udviklet, giver os mulighed for at lave et relativt stort mellemrum (på to nanometer) sammenlignet med de meget mindre huller, der tidligere krævedes til tunnelstrømudlæsning (som var mindre end en enkelt nanometer bred). Evnen til at bruge større mellemrum til tunnelering gør fremstillingen af ​​enheden meget lettere og giver DNA-molekyler plads til at passere elektroderne."

Specifikt, når en strøm ledes gennem nanoporen, når DNA'et passerer igennem, det forårsager en stigning i strømmen, der er unik for hver kemisk base (A, C, T eller G) i DNA-molekylet. Der er lavet et par ændringer for at polere og afslutte fremstillingen af ​​enheden.

Teamet stødte på betydelige enhed-til-enhed variation, så kalibrering vil være nødvendig for at gøre teknologien mere robust. Og det sidste store skridt - at reducere diameteren af ​​hullet gennem enheden til et enkelt DNA-molekyle - er endnu ikke taget.

Men samlet set, forskerholdet har udviklet en skalerbar fremstillingsproces for at lave en enhed, der kan arbejde pålideligt i timevis ad gangen, identifikation af hver af de kemiske DNA-baser, mens de strømmer gennem to-nanometerspalten.

Forskerholdet arbejder også på at modificere teknikken til at læse andre enkeltmolekyler, som kunne bruges i en vigtig teknologi til udvikling af lægemidler.

Den seneste udvikling kan også bringe store forretninger til ASU. Lindsay, kaldt en "serieiværksætter" af medierne, har en ny spinout-satsning, kaldet Recognition Analytix, der håber at følge succesen med Molecular Imaging Corp, et lignende instrumentfirma, han var med til at stifte i 1993, og solgt til Agilent Technologies i 2005.

Forskningen blev finansieret af National Institutes of Health's National Human Genome Research Institute, Roche, og publiceret i tidsskriftet ACS Nano .