Een team van wetenschappers van de Universiteit van Bristol heeft een nieuwe nanomapping-microscoop ontwikkeld - aangedreven door de laser en optica van een typische dvd-speler.

De nieuwe technologie wordt gebruikt om de manier te veranderen waarop ziekteverwekkende genetische mutaties worden gediagnosticeerd en ontdekt.

Deze microscoop brengt elke seconde honderden chemisch gebarcodeerde DNA-moleculen in kaart in een techniek die is ontwikkeld in samenwerking met een team van Amerikaanse wetenschappers onder leiding van professor Jason Reed van de Virginia Commonwealth University.

Het team van professor Reed gebruikt CRISPR-Cas9 om de moleculen te labelen, zodat ze bijna net zo nauwkeurig in kaart kunnen worden gebracht als DNA-sequencing. terwijl ook grote delen van het genoom veel sneller worden verwerkt.

Door gebruik te maken van standaard dvd-componenten, het Bristol-team heeft hun atomic force microscope (AFM) supercharged om het in staat te stellen de lengtes van individuele DNA-moleculen fysiek in kaart te brengen tot een resolutie van tientallen basenparen met snelheden van honderden per seconde.

Door deze ongekende snelheidstoename kan deze DNA-barcoderingsmethode voor het eerst worden gebruikt voor real-world diagnostiek.

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.

De microscoop meet afzonderlijke DNA-moleculen met een subatomaire resolutie en maakt beelden tot wel een miljoen basenparen groot. En het doet het met een fractie van de hoeveelheid specimen die nodig is voor DNA-sequencing, drastisch verminderen van de meettijd.

Dr. Oliver Payton van de School of Physics van de Universiteit van Bristol, mede-uitvinder van de nanomapping-microscoop. Hij zei:"Met behulp van het laserfocusmechanisme dat in elke dvd-speler zit, hebben we een microscoop gebouwd die de resolutie en snelheid heeft om elk molecuul op het monsteroppervlak in 3D te meten.

"Hoewel andere soorten microscoop de resolutie hebben om deze DNA-moleculen te zien, zijn ze duizenden keren langzamer en het zou jaren duren om een ​​betrouwbare diagnose te stellen.

"Onze microscoop is niet alleen perfect voor deze medische toepassingen, maar vanwege de gemakkelijk verkrijgbare componenten van de dvd-speler kan het in massa worden geproduceerd."

CRISPR heeft de laatste tijd veel krantenkoppen gehaald met betrekking tot genbewerking. CRISPR is een enzym dat wetenschappers hebben kunnen 'programmeren' met behulp van targeting ribonucleïnezuur (RNA) om DNA op precieze locaties te knippen die de cel vervolgens zelf herstelt.

De ingenieuze chemische barcoderingsmethode die is ontwikkeld door het team van professor Reed, verandert de chemische reactieomstandigheden van het CRISPR-enzym, zodat het alleen aan het DNA blijft kleven en het niet echt snijdt.

Hij zei:"Omdat het CRISPR-enzym een ​​eiwit is dat fysiek groter is dan het DNA-molecuul, het is perfect voor deze barcodetoepassing.

"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, 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.