Direkte optisk aflæsning af enkeltmolekyle DNA-baser i modificerede nanoporer

I en Naturkommunikation papir udgivet i denne uge, IMEC, verdens førende forsknings- og innovationshub inden for nanoelektronik og digital teknologi, beskriver et nyt koncept for direkte identifikation af enkelte DNA-baser. Teknikken har potentialet til at opdage, med en hidtil uset rumlig opløsning og uden nogen mærkning, den genetiske kode, samt epigenetiske variationer i DNA. Kombinationen af ​​nanopore fluidics og overfladeforstærket Raman-spektroskopi gør det til et unikt koncept og et meget lovende værktøj for evolutionære biologer og til forskning i sygdomsudvikling.

I dag, direkte, realtidsidentifikation af nukleobaser i DNA-strenge i nanoporer er begrænset af følsomheden og den rumlige opløsning af etablerede ioniske sansestrategier. Ud over, etablerede DNA-sekventeringsteknikker bruger ofte fluorescerende mærkning, hvilket er dyrt og tidskrævende. I sin Nature Communications papir, IMEC demonstrerede et lovende alternativ baseret på optisk spektroskopi, uden behov for mærkning og med den unikke evne til at identificere nukleobaser, individuelt, og inkorporeret i en DNA-streng. Teknikken er baseret på nanofluidik til at drive DNA-strengen gennem en konstrueret plasmonisk nanoslit, og overfladeforstærket Raman-spektroskopi for at lave et 'fingeraftryk' af de adsorberede nukleobaser op til niveauet af molekylære bindinger. Det spektroskopiske signal forstærkes både af en guldbelægning oven på nanospalten, og den konstruerede form af nanoslit.

"Resultatet rapporteret her er et vigtigt skridt mod en løsning til hurtig og direkte sekventering op til det epigenetiske niveau, " sagde og Chang Chen, seniorforsker ved IMEC.

Signalet, der genereres af Raman-spektroskopi, rummer en masse information om molekylerne og de molekylære bindinger. Ikke kun kan DNA-koden 'læses', men også basismodifikationer såsom methylering, histon acetylering, og mikroRNA modifikation, som indeholder mere detaljerede oplysninger om epigenetiske variationer. Sådanne variationer er vigtige for evolutionære undersøgelser, da de påvirker genekspression i celler. I øvrigt, de har vist sig at påvirke oprindelsen og udviklingen af ​​sygdomme som kræft.

"Vi udnytter vores ekspertise i verdensklasse inden for chipdesign og 300 mm Si wafer-fremstillingsteknologi og bio-labfaciliteter til at udvikle skræddersyede løsninger til life sciences-industrien, " sagde Pol Van Dorpe, hovedmedlem af teknisk personale. "Løsningen, vi beskriver her, er kun ét eksempel på de teknologier, vi arbejder på. Vores værktøjskasse indeholder viden om nanoporer, spektroskopi, fotonik, enkelt-molekyle detektion og nanofluidics, som vi bruger til at udvikle næste generations løsninger til vores industripartnere inden for genomik og diagnostik."