DNA-Sequenzierung im Nanomaßstab könnte eine Revolution in der persönlichen Gesundheitsfürsorge anregen

DNA-Sequenzierung im Nanomaßstab könnte eine Revolution in der persönlichen Gesundheitsfürsorge anregen
DNA-Sequenzierung im Nanomaßstab könnte eine Revolution in der persönlichen Gesundheitsfürsorge anregen
Anonim

In Experimenten mit potenziell weitreichenden Auswirkungen auf das Gesundheitswesen hat ein Forschungsteam unter der Leitung eines Physikers der University of Washington eine Methode entwickelt, die in sehr kleinem Maßstab funktioniert, um DNA schnell und relativ kostengünstig zu sequenzieren.

Das könnte die Tür für eine effektivere individualisierte Medizin öffnen, zum Beispiel die Bereitstellung von Blaupausen genetischer Prädispositionen für bestimmte Zustände und Krankheiten wie Krebs, Diabetes oder Sucht.

"Die Hoffnung ist, dass die Menschen in 10 Jahren ihre gesamte DNA sequenziert haben, und dies wird zu einer personalisierten, prädiktiven Medizin führen", sagte Jens Gundlach, Physikprofessor an der UW und Hauptautor eines Artikels, der die neue Technik beschreibt veröffentlicht in der Woche vom 8.16 in den Proceedings of the National Academy of Sciences.

Die Technik schafft einen DNA-Leser, der Biologie und Nanotechnologie kombiniert, indem er eine Nanopore aus Mycobacterium smegmatis Porin A verwendet. Die Nanopore hat eine Öffnung von 1 Milliardstel Meter Größe, gerade groß genug, um einen einzelnen DNA-Strang beim Durchgang zu messen.

Die Wissenschaftler platzierten die Pore in einer Membran, die von Kaliumchloridlösung umgeben war. Eine kleine Spannung wurde angelegt, um einen Ionenstrom zu erzeugen, der durch die Nanopore fließt, und die elektrische Signatur des Stroms änderte sich abhängig von den Nukleotiden, die durch die Nanopore wandern. Jedes der Nukleotide, die die Essenz der DNA darstellen – Cytosin, Guanin, Adenin und Thymin – erzeugt eine unverwechselbare Signatur.

Das Team musste zwei große Probleme lösen. Eine bestand darin, eine kurze und schmale Öffnung zu schaffen, die gerade groß genug war, um einen einzelnen DNA-Strang durch die Nanopore passieren zu lassen und sich zu jedem Zeitpunkt nur ein einzelnes DNA-Molekül in der Öffnung befinden zu können.Michael Niederweis von der University of Alabama in Birmingham modifizierte das Bakterium M. smegmatis, um eine geeignete Pore herzustellen.

Das zweite Problem, sagte Gundlach, war, dass die Nukleotide mit einer Rate von einem pro Millionstel Sekunde durch die Nanopore flossen, viel zu schnell, um das Signal von jedem DNA-Molekül zu sortieren. Zum Ausgleich befestigten die Forscher zwischen jedem Nukleotid, das sie messen wollten, einen Abschnitt doppelsträngiger DNA. Der zweite Strang würde sich kurz am Rand der Nanopore verfangen und den DNA-Fluss lange genug anh alten, damit das einzelne Nukleotid im Nanoporen-DNA-Lesegerät geh alten werden kann. Nach einigen Millisekunden trennte sich der doppelsträngige Abschnitt und der DNA-Fluss wurde fortgesetzt, bis ein weiterer Doppelstrang angetroffen wurde, wodurch das nächste Nukleotid abgelesen werden konnte.

Die Verzögerung, obwohl sie in Tausendstelsekunden gemessen wird, ist lang genug, um die elektrischen Signale von den Zielnukleotiden zu lesen, sagte Gundlach.

"Wir können die DNA-Sequenz praktisch aus einer Oszilloskop-Spur ablesen", sagte er.

Neben Gundlach und Niederweiss sind weitere Autoren Ian Derrington, Tom Butler, Elizabeth Manrao und Marcus Collins von der UW; und Mikhail Pavlenok in Alabama-Birmingham.

Die Arbeit wurde von den National Institutes of He alth und ihrem National Human Genome Research Institute als Teil eines Programms zur Entwicklung einer Technologie zur Sequenzierung eines menschlichen Genoms für 1.000 $ oder weniger finanziert. Dieses Programm begann im Jahr 2004, als es ungefähr 10 Millionen US-Dollar kostete, ein Genom in Menschengröße zu sequenzieren.

Die neue Forschung ist ein wichtiger Schritt hin zu einer DNA-Sequenzierung zu einem Preis von 1.000 $ oder weniger.

"Unsere Experimente skizzieren eine neuartige und im Grunde sehr einfache Sequenzierungstechnologie, von der wir hoffen, dass sie nun zu einem mechanisierten Prozess ausgebaut werden kann", sagte Gundlach.

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