Glas nanopore trækker DNA som spaghetti gennem en nål

DNA-sekventering er blevet så almindeligt, få indser, hvor svært det er overhovedet at udtrække et enkelt DNA-molekyle fra en biologisk prøve.

Forskning ledet af UC Riverside gør det lettere at opdage og indfange DNA fra væskeprøver såsom blod ved hjælp af et lille glasrør og elektrisk strøm. Teknikken, beskrevet i journalen Nanoskala , kan også forbedre kræftdiagnosen i fremtiden.

DNA, en dobbeltstrenget, elektrisk ladet molekyle, der indeholder al den information, en organisme behøver for at skabe og organisere livets byggesten, er tæt foldet inde i cellekernen. Udvinding af DNA'et fra en enkelt celle er tidskrævende og upraktisk til mange medicinske og videnskabelige formål. Heldigvis, da celler dør naturligt, deres membraner brister, frigivelse af indholdet, herunder DNA. Det betyder, at en blodprøve, for eksempel, indeholder mange strenge af frit svævende DNA, der bør, i teorien, være nemmere at identificere og udtrække i mængde.

Imidlertid, scavenger-celler kaldet makrofager, der renser cellulært affald, ødelægger det meste cellefrit DNA, efterlader det i lave koncentrationer i blodet. De fleste tilgange til at indfange cellefrit DNA kræver dyre teknikker, der først koncentrerer molekylerne, før de bruger fluorescerende farvestoffer for at hjælpe med at se DNA'et.

Den korresponderende forfatter Kevin Freedman, en assisterende professor i bioingeniør ved UC Riversides Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering, førte et forsøg på at forbedre detektion og indfangning af DNA ved lavere koncentrationer ved at bruge en elektrisk ladning til at lede en DNA-prøve direkte ind i et glasrør med en lille åbning kaldet en nanopore. Nanopore-sansing er dukket op som en hurtig, pålidelig, og omkostningseffektivt diagnoseværktøj i forskellige medicinske og kliniske anvendelser.

"Vi ved, at hvis du påfører spænding over en cellemembran, ioner vil bevæge sig gennem porerne i cellemembranen, " sagde Freedman. "DNA rejser også med det elektriske felt, og vi kan bruge det til at flytte DNA'et."

Forskerne satte en positiv elektrode inde i et glasrør med en åbning, eller pore, 20 nanometer bred - en smule større end et DNA-molekyle, men for lille til at optage celler. De anvendte et elektrisk potentiale til nanoporen, som blev dyppet i et hætteglas indeholdende en DNA-prøve og en negativ elektrode. Det cellefrie DNA bevægede sig ind i poren og blokerede den. Ændringen i elektrisk strøm, da DNA'et rejste gennem poren, gjorde det muligt for forskerne at opdage det.

"Det er som at prøve at trække spaghetti gennem en nål, " sagde Freedman. "For at gå gennem poren skal den være næsten perfekt lineær."

Jo tættere på væskeoverfladen forskerne holdt poren, jo mere DNA opsamlede den.

"Utroligt nok, vi fandt, at DNA akkumuleres ved væske-luft-grænsefladerne. Hvis der er et kølelag, DNA'et vil forsøge at gå til det køligere sted, " sagde Freedman. "Vi håber det samme gælder for en blodprøve, så den samme mekanisme kan bruges til at koncentrere DNA nær overfladen. Dette er ikke kun gavnligt, men denne nanopore-sensing-strategi demonstrerede også et højere signal-til-støj-forhold nær overfladen. Det er virkelig en win-win situation."

Med nogle justeringer, forfatterne mener, at deres rent elektriske teknik kunne hjælpe med at diagnosticere nogle former for kræft ud fra en enkelt blodprøve. Ud over DNA, efterhånden som tumorer vokser, vesikler frigives til blodbanen. Disse mini-lipid-baserede dråber kan opfattes som miniceller, der er identiske med de originale kræftceller og kan også påvises ved nanopore-sensing.

I betragtning af alle de unikke egenskaber ved denne rent elektriske teknik, nanopore-sensing-systemet har potentiale til at blive brugt som en point-of-care diagnostisk test-evaluering i fremtiden.

Artiklen har titlen "Måling af fanget DNA ved væske-luft-grænsefladen for forbedret enkelt molekyle sensing."