Een team van wetenschappers onder leiding van de fysicus Jason Reed van de Virginia Commonwealth University, doctoraat, hebben nieuwe nanomapping-technologie ontwikkeld die de manier waarop ziekteverwekkende genetische mutaties worden gediagnosticeerd en ontdekt, zou kunnen veranderen. Beschreven in een onderzoek dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurcommunicatie , deze nieuwe benadering maakt gebruik van snelle atoomkrachtmicroscopie (AFM) in combinatie met een op CRISPR gebaseerde chemische barcoderingstechniek om DNA bijna net zo nauwkeurig in kaart te brengen als DNA-sequencing, terwijl grote delen van het genoom veel sneller worden verwerkt. Bovendien kan de technologie worden aangedreven door onderdelen die u in uw doorsnee dvd-speler vindt.

Het menselijk genoom bestaat uit miljarden DNA-basenparen. ontrafeld, het strekt zich uit tot een lengte van bijna zes voet lang. Als cellen delen, ze moeten een kopie maken van hun DNA voor de nieuwe cel. Echter, soms worden verschillende delen van het DNA verkeerd gekopieerd of op de verkeerde plaats aan elkaar geplakt, leidt tot genetische mutaties die ziekten zoals kanker veroorzaken. DNA-sequencing is zo nauwkeurig dat het individuele basenparen van DNA kan analyseren. Maar om grote delen van het genoom te analyseren om genetische mutaties te vinden, technici moeten miljoenen kleine sequenties bepalen en ze vervolgens samenvoegen met computersoftware. In tegenstelling tot, biomedische beeldvormingstechnieken zoals fluorescentie in situ hybridisatie (FISH) kunnen DNA alleen analyseren met een resolutie van enkele honderdduizenden basenparen.

De nieuwe snelle AFM-methode van Reed kan DNA in kaart brengen met een resolutie van tientallen basenparen en tegelijkertijd afbeeldingen maken met een grootte tot een miljoen basenparen. En het doet het met een fractie van de hoeveelheid specimen die nodig is voor DNA-sequencing.

"DNA-sequencing is een krachtig hulpmiddel, maar het is nog steeds vrij duur en heeft verschillende technologische en functionele beperkingen die het moeilijk maken om grote delen van het genoom efficiënt en nauwkeurig in kaart te brengen, " zegt Jason Reed, doctoraat, hoofdonderzoeker van het onderzoek. Reed is lid van het onderzoeksprogramma Cancer Molecular Genetics van VCU Massey Cancer Center en universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde van het VCU College of Humanities and Sciences. "Onze aanpak overbrugt de kloof tussen DNA-sequencing en andere fysieke mappingtechnieken die geen resolutie hebben. Het kan worden gebruikt als een op zichzelf staande methode of het kan een aanvulling zijn op DNA-sequencing door complexiteit en fouten te verminderen bij het samenstellen van de kleine stukjes genoom die tijdens de volgordeproces."

IBM-wetenschappers haalden de krantenkoppen in 1989 toen ze AFM-technologie ontwikkelden en een verwante techniek gebruikten om moleculen op atomair niveau te herschikken om 'IBM' te spellen. AFM bereikt dit detailniveau door een microscopisch kleine stylus te gebruiken - vergelijkbaar met een naald op een platenspeler - die nauwelijks contact maakt met het oppervlak van het bestudeerde materiaal. De interactie tussen de stylus en de moleculen creëert het beeld. Echter, traditionele AFM is te traag voor medische toepassingen en wordt daarom vooral gebruikt door ingenieurs in de materiaalkunde.

"Ons apparaat werkt op dezelfde manier als AFM, maar we bewegen het monster met een veel grotere snelheid langs de stylus en gebruiken optische instrumenten om de interactie tussen de stylus en de moleculen te detecteren. We kunnen hetzelfde detailniveau bereiken als traditionele AFM, maar kan materiaal meer dan duizend keer sneller verwerken, " zegt Riet, wiens team bewees dat de technologie kan worden gemainstreamd door optische apparatuur te gebruiken die in dvd-spelers wordt aangetroffen. "High-speed AFM is bij uitstek geschikt voor sommige medische toepassingen, omdat het materialen snel kan verwerken en honderden keren meer resolutie kan bieden dan vergelijkbare beeldvormingsmethoden."

Het versnellen van de AFM was slechts één horde die Reed en zijn collega's moesten nemen. Om genetische mutaties in DNA daadwerkelijk te identificeren, ze moesten een manier ontwikkelen om markers of labels op het oppervlak van de DNA-moleculen te plaatsen, zodat ze patronen en onregelmatigheden konden herkennen. Met behulp van een vorm van CRISPR-technologie is een ingenieuze chemische barcode-oplossing ontwikkeld.

CRISPR heeft de laatste tijd veel krantenkoppen gehaald met betrekking tot genbewerking. CRISPR is een enzym dat wetenschappers hebben kunnen "programmeren" met behulp van gericht RNA om DNA op precieze locaties te knippen die de cel vervolgens zelf herstelt. Het team van Reed veranderde de chemische reactieomstandigheden van het CRISPR-enzym, zodat het alleen aan het DNA blijft kleven en het niet echt snijdt.

"Omdat het CRISPR-enzym een ​​eiwit is dat fysiek groter is dan het DNA-molecuul, het is perfect voor deze barcodetoepassing, ", zegt Reed. "We waren verbaasd toen we ontdekten dat deze methode bijna 90 procent efficiënt is in het binden aan de DNA-moleculen. En omdat het gemakkelijk is om de CRISPR-eiwitten te zien, je kunt genetische mutaties herkennen tussen de patronen in het DNA."

Om de effectiviteit van de techniek aan te tonen, de onderzoekers brachten genetische translocaties in kaart die aanwezig zijn in lymfeklierbiopten van lymfoompatiënten. Translocaties treden op wanneer een deel van het DNA wordt gekopieerd en op de verkeerde plaats in het genoom wordt geplakt. Ze komen vooral voor bij bloedkankers zoals lymfoom, maar komen ook voor bij andere kankers.

Hoewel er veel potentiële toepassingen zijn voor deze technologie, Reed en zijn team richten zich op medische toepassingen. Ze ontwikkelen momenteel software op basis van bestaande algoritmen die patronen in DNA-coupes tot en met een grootte van meer dan een miljoen basenparen kunnen analyseren. Eenmaal klaar, het zou niet moeilijk zijn je voor te stellen dat dit instrument ter grootte van een schoenendoos in pathologielaboratoria helpt bij de diagnose en behandeling van ziekten die verband houden met genetische mutaties.