DNA -sekventering blev forbedret ved at bremse

EPFL-forskere har udviklet en metode, der forbedrer nøjagtigheden af ​​DNA-sekventering op til tusind gange. Metoden, som bruger nanoporer til at læse individuelle nukleotider, baner vejen for bedre - og billigere - DNA-sekventering.

DNA-sekventering er en teknik, der kan bestemme den nøjagtige sekvens af et DNA-molekyle. Et af de mest kritiske biologiske og medicinske værktøjer, der findes i dag, det er kernen i genomanalysen. At læse den nøjagtige sammensætning af gener, videnskabsmænd kan opdage mutationer, eller endda identificere forskellige organismer. En kraftfuld DNA-sekventeringsmetode bruger bittesmå, porer i nanostørrelse, der læser DNA, når det passerer igennem. Imidlertid, "nanopore-sekventering" er tilbøjelig til høj unøjagtighed, fordi DNA normalt passerer meget hurtigt igennem. EPFL -forskere har nu opdaget en tyktflydende væske, der bremser processen op til tusind gange, betydeligt forbedre metodens opløsning og nøjagtighed. Gennembruddet er offentliggjort i Natur nanoteknologi .

Læser for hurtigt

DNA er et langt molekyle, der består af fire gentagne forskellige byggesten. Disse kaldes "nukleotider" og er spændt sammen i forskellige kombinationer, der indeholder cellens genetiske information, såsom gener. I det væsentlige, de fire nukleotider udgør alt genetisk sprog. DNA-sekventering søger at dechifrere dette sprog, opdele det tilbage til individuelle bogstaver.

I nanopore-sekventering, DNA passerer gennem en lille pore i en membran, omtrent som en tråd går gennem en nål. Poren indeholder også en elektrisk strøm. Når hvert af de fire nukleotider passerer gennem poren, de blokerer strømmen på individuelle måder, der kan bruges til at identificere dem. Selvom magtfulde, metoden lider af høj hastighed:DNA går for hurtigt gennem poren til at blive læst med tilstrækkelig nøjagtighed.

At bremse tingene

Laboratoriet af Aleksandra Radenovic ved EPFL's Institute of Bioengineering har nu overvundet problemet med hastighed ved at bruge en tyk, tyktflydende væske, der bremser passagen af ​​DNA to til tre størrelsesordener. Som resultat, sekventeringsnøjagtigheden forbedres ned til enkelte nukleotider.

Forskningen blev udført af Jiandong Feng og Ke Liu, arbejder med kolleger i Andras Kis' laboratorium på EPFL. De to forskere udviklede en film lavet af molybdendisulfid (MoS2), kun 0,7 nm i tykkelse. Dette er allerede en nyskabelse i forhold til forsøg på området, der bruger grafen:DNA er et ret klæbrigt molekyle, og MoS2 er betydeligt mindre klæbende end grafen. Holdet skabte derefter en nanopore på membran, næsten 3 nm bred.

Det næste trin var at opløse DNA i en tyk væske, der indeholdt ladede ioner, og hvis molekylære struktur kan finjusteres for at ændre dens tykkelse, eller "viskositetsgradient". Væsken tilhører klassen "ioniske væsker ved stuetemperatur", som dybest set er salte opløst i en opløsning. EPFL-forskerne udnyttede væskens indstillingsevne til at bringe den til en ideel viskositetsgradient - nok til at bremse DNA.

Endelig, holdet testede deres system ved at sende kendte nukleotider, opløst i væsken, gennem nanoporen flere gange. Dette tillod dem at tage en gennemsnitlig aflæsning for hvert af de fire nukleotider, som kan bruges til at identificere dem senere.

Selvom det stadig er på et teststadium, holdet sigter mod at fortsætte deres arbejde ved at teste hele DNA-strenge. "Vi søger muligheder for at kommercialisere denne teknik, som er lovende til sekventering med faststof-nanoporer, " siger Jiandong Feng.

Forskerne forudser også, at brug af avanceret elektronik og kontrol af væskens viskositetsgradient kan optimere systemet yderligere. Ved at kombinere ioniske væsker med nanoporer på molybdændisulfid tynde film, de håber at skabe en billigere DNA-sekventeringsplatform med et bedre output.

Værket tilbyder en innovativ måde, der kan forbedre en af ​​de bedste tilgængelige DNA -sekventeringsmetoder. "I de kommende år, sekventeringsteknologi vil helt sikkert skifte fra forskning til klinikker, " siger Aleksandra Radenovic. "For det, vi har brug for hurtig og overkommelig DNA-sekventering - og nanopore-teknologi kan levere."