DNA-amplificatie - een moleculaire "fotokopieertechniek" waarbij genetisch materiaal wordt gerepliceerd - heeft veel toepassingen in wetenschappelijk onderzoek, forensische wetenschap, en medische laboratoria. Het is nuttig voor het opsporen en identificeren van bepaalde vormen van kanker en virale ziekten, en belooft veel voor de behandeling van deze ziekten in de toekomst.

Het DNA-amplificatieproces vereist momenteel thermische cycli over een breed bereik van hoge temperaturen, variërend van 48°C tot 95°C (118°F tot 203°F). Als resultaat, de kwaliteit van biologische monsters die worden verwerkt, komt vaak in het gedrang. Een team van Japanse wetenschappers heeft nu een methode ontwikkeld om DNA op lichaamstemperatuur te versterken in kunstmatige cellen die lijken op die van mensen.

Hun bevindingen werden op 9 juli gepubliceerd. 2019 in Chemische communicatie .

DNA-amplificatie wordt veel gebruikt in moleculair biologisch onderzoek voor DNA-sequencing om de exacte structuur te bepalen van nucleotiden waaruit het genetisch materiaal van een organisme bestaat, evenals voor DNA-klonering en studies met betrekking tot genexpressie. Het wordt ook gebruikt om DNA te analyseren dat is verzameld uit oude monsters. Forensische toepassingen zijn onder meer genetische vingerafdrukken, een techniek die vaak wordt gebruikt om verdachten te beschuldigen of te rechtvaardigen in een strafrechtelijk onderzoek, om het lichaam van een overleden persoon te identificeren, of voor ouderschaps-/vaderschapstesten om de biologische ouders van een kind te bevestigen. Medische toepassingen van DNA-replicatie omvatten de detectie en identificatie van verschillende soorten kanker, evenals infectieziekten, waaronder het humaan immunodeficiëntievirus (hiv), dat notoir moeilijk te detecteren kan zijn.

Momenteel, de techniek van de polymerasekettingreactie (PCR) wordt vaak gebruikt om een ​​DNA-segment te amplificeren. Tijdens het PCR-proces, het DNA-monster wordt herhaaldelijk verwarmd zodat het zich scheidt in twee enkele DNA-strengen. Met behulp van een enzymprimer, elk nieuw molecuul bestaat nu uit één oude DNA-streng samen met één nieuwe DNA-streng om de dubbele helix te vormen.

Hoewel amplificatie van DNA is bereikt in kunstmatige cellen met de PCR-methode, de repetitieve cycli over een hoog temperatuurbereik beschadigen vaak de delicate moleculen waaruit het genetische monster bestaat. isotherme versterking, die snelle amplificatie van specifieke DNA-moleculen mogelijk maakt bij een lagere temperatuur die constant blijft, zou dit probleem kunnen oplossen. In plaats van PCR in oplossing, deze methode maakt gebruik van ingekapseld moleculair gereedschap dat is ontworpen voor het herhalen en vrijgeven van één enkelstrengs DNA met een sequentie van synthetisch DNA die de originele streng weerspiegelt - een proces dat bekend staat als DNA-circuitamplificatie.

"In onze studie kunstmatige cellen die DNA meer dan 5000-voudig amplificeren als reactie op externe stimuli bij lichaamstemperatuur werden gecreëerd, " zei Shinichiro Nomura, een universitair hoofddocent aan de Graduate School of Engineering, Tohoku-universiteit in Japan, en co-auteur van de studie.

Omdat dit functioneert bij lichaamstemperatuur, "in de toekomst, het zal wetenschappers in staat stellen kunstmatige cellen en moleculaire robots te ontwikkelen die kankercellen kunnen diagnosticeren en voor cellen kunnen zorgen door minuscule hoeveelheden signaalmoleculen in situ in het lichaam te detecteren, ' zei Nomura.

In aanvulling, het tijdstip waarop versterking optreedt, kan kunstmatig worden geactiveerd en geregeld met behulp van licht, een proces dat bekend staat als fotostimulatie. Foto-getriggerde DNA-amplificatie is opwindend omdat het wetenschappers in staat zou stellen moleculaire nanostructuren in kunstmatige cellen te produceren en te assembleren met nauwkeurige precisie over waar en wanneer ze in de cel worden geactiveerd. Deze kunstmatige moleculaire nanostructuren zouden in wezen kunnen fungeren als moleculaire robots die ziekten vanuit de cel kunnen detecteren en bestrijden.

Volgens Nomura, de volgende stappen omvatten het ontwikkelen van controlesystemen in kunstmatige cellen met behulp van de geamplificeerde DNA's, en uiteindelijk de detectie van signaalmoleculen die in kankercellen worden geproduceerd.

In levende organismen, signaalmoleculen spelen een belangrijke rol in cellulaire communicatieprocessen die cellulaire activiteiten en acties regelen en coördineren, inclusief celontwikkeling, weefselherstel en immuunreacties op ziekten. Eventuele fouten tijdens celsignaleringsprocessen kunnen leiden tot ziekten zoals diabetes, kanker, en auto-immuunziekten. Door celsignalering te begrijpen en signaalmoleculen te kunnen detecteren en fouten in deze communicatiesignalen te herkennen, clinici kunnen ziekten mogelijk effectiever identificeren en behandelen.