Hurtig, omkostningseffektiv genetisk screening inden for rækkevidde

CU Boulder-forskere udvikler nye teknikker til hurtigere, mere omkostningseffektiv enkeltmolekyle DNA-sekventering, der kan have transformative virkninger på genetisk screening, bane vejen for fremskridt inden for vaccineudvikling, tidlig opdagelse af kræft og organtransplantationer.

De nye metoder - hvoraf den ene er baseret på kvanteelektronik på nanoskala og en i optik - kunne en dag give en person mulighed for at sekventere sit genom på under to minutter ved hjælp af simpelt udstyr, sagde Prashant Nagpal, en adjunkt i CU Boulders Institut for Kemi- og Biologisk Teknik.

"Vi udforsker unikke metoder til at levere nøjagtige, nyttig genetisk information hurtigere og billigere, " sagde Nagpal.

DNA-sekventering, som bestemmer den præcise rækkefølge af nukleotider indeholdt i biologiske molekyler, kan bruges til at kortlægge individuelle gener eller hele genetiske regioner. Siden starten i 1950'erne, sekventering er blevet indarbejdet i medicin, evolutionær biologi og andre biovidenskabelige områder, alt imens den øges i hastighed og processorkraft med hele størrelsesordener.

Nagpal beskriver sin nye forskning som en rettidig nytænkning af en teknologi, der har eksisteret i årtier, men er stødt på fundamentale begrænsninger i de senere år.

"Det menneskelige genom består af over 3 milliarder DNA-basepar, " sagde Nagpal. "I øjeblikket, sekventering er afhængig af sampling af 20 til 30 af disse par ad gangen, som er god at have, men kan kun fortælle dig så meget."

Den nuværende prøveudtagningsmetode, Nagpal siger, åbner mulighed for replikationsfejl i det større datasæt, der kan overse finkornede markører i en persons genetiske profil. enkelt-molekyle prøvetagning, han siger, giver et mere præcist billede.

Nagpal og hans team henvendte sig til kvanteelektronik for løsningen. De sender en lille ladning gennem et DNA- eller RNA-molekyle, og registrere målinger af alle nukleotider i enkeltmolekyler. Sekvensen identificerede nukleotiderne med 99,7 procent nøjagtighed, op fra 80 procent opnået ved andre nanoteknologiske metoder.

Fremskridtene inden for kvantebaseret sekventering blev for nylig beskrevet i tidsskrifterne ACS Nano og Journal of the American Chemical Society . W.M. Keck Foundation ydede støtte til al enkelt-molekyle-sekventeringsforskning.

Nagpal har også udviklet en optikbaseret metode til enkeltmolekyle-sekventering, der bruger en diodelaser og et kamera, der kan sammenlignes med en gennemsnitlig smartphone til hurtigt at identificere nukleotidsekvenser. På grund af dets unikke fysiske egenskaber som både en partikel og en bølge, lys er et smidigt middel til at indsamle information og transmittere den i komprimeret form.

I en kommende avis, der i øjeblikket er under tryk i tidsskriftet Lille , Nagpal og hans kolleger demonstrerede, at en high-throughput sekventeringsmetode kan paralleliseres massivt ved hjælp af en to-millimeter chip-array, der kan tage sekunder i stedet for timer.

"Med denne bloksekvenseringsmetode, du behøver ikke engang at sekvensere på niveau med enkelte bogstaver som A, C, G og T, " sagde Nagpal. "Du kan ekstrapolere den samme information hurtigere, svarende til, hvordan du ser en komprimeret version af en film på YouTube eller Netflix."

Forskningen er stadig i de tidlige stadier, og Nagpal siger, at det næste skridt ville være at anvende sekventeringsmetoderne på mere komplekse bakterieprøver. I fremtiden, han forestiller sig et bærbart gør-det-selv-sekventeringskit, der ville koste omkring $1. En person kunne tage en DNA-podning, sæt den på mikrochippen og vent 100 sekunder på at modtage data, der kunne afsløre potentielt risikable genetiske markører for kræft, for eksempel, eller give afgørende oplysninger til læger, der forsøger at matche organer med transplanterede modtagere.

"I skala, de potentielle anvendelser er enorme, " sagde Nagpal. "Fra at identificere antibiotikaresistens til at accelerere opdagelsen af ​​lægemidler, forbedringer i hastigheden og nøjagtigheden af ​​sekventering kan være transformerende for mange videnskabelige områder."

Andre medforfattere på disse enkeltmolekyle-sekventeringsmetoder inkluderer Lee Korshoj, Sepideh Afsari, Manjunatha Sagar, Gary Abel and Assistant Professor Anushree Chatterjee, all of CU Boulder's Department of Chemical and Biological Engineering.