Snellere sequentiebepaling van DNA biedt een enorm potentieel voor biologie en geneeskunde, in het bijzonder voor gepersonaliseerde diagnose en behandeling op maat op basis van de genomische samenstelling van elk individu. Op dit moment echter, sequencing-technologie blijft omslachtig en onbetaalbaar voor de meeste klinische toepassingen, hoewel dit kan veranderen, dankzij een reeks innovatieve nieuwe technieken.

In het huidige nummer van Wetenschap , Stuart Lindsay, directeur van het Center for Single Molecule Biophysics van de Arizona State University aan het Biodesign Institute, samen met zijn collega's demonstreert het potentieel van een dergelijke methode waarbij een enkelstrengs lint van DNA door een koolstofnanobuis wordt geregen, spanningspieken produceren die informatie geven over de passage van DNA-basen terwijl ze door de buis gaan - een proces dat bekend staat als translocatie.

Koolstof nanobuisjes zijn veelzijdig, cilindrische structuren gebruikt in nanotechnologie, elektronica, optica en andere gebieden van materiaalkunde. Ze zijn samengesteld uit koolstofallotropen - verschillende rangschikkingen van koolstofatomen, met unieke eigenschappen van sterkte en elektrische geleidbaarheid.

Traditionele methoden voor het lezen van het genetische schrift, opgebouwd uit vier nucleotidebasen, adenine, thymine, cytosine en guanine (gelabeld A, T, C, &G), vertrouwen meestal op het versnipperen van het DNA-molecuul in honderdduizenden stukjes, het lezen van deze verkorte secties en tot slot, het reconstrueren van de volledige genetische sequentie met behulp van enorme rekenkracht. Een decennium geleden, het eerste menselijke genoom - een reeks van meer dan 3 miljard chemische basenparen - werd met succes gedecodeerd, in een biologisch hoogstandje. De onderneming vergde ongeveer 11 jaar nauwgezette inspanning en kostte $ 1 miljard dollar. Naast de bewerkelijkheid van bestaande technieken, nauwkeurigheid is aangetast, met fouten die zich ophopen in verhouding tot het aantal te lezen fragmenten.

Een nieuwe strategie omvat het gebruik van nanoporiën - openingen met een moleculaire diameter die twee vloeistofreservoirs met elkaar verbinden. Er kan een constante spanning worden aangelegd tussen twee elektroden aan beide uiteinden van de nanoporie, het induceren van een ionenstroom om door de lengte van het ingesloten kanaal van de nanoporie te stromen. Op deze schaal, de passage van zelfs een enkel molecuul genereert een detecteerbare verandering in de stroom van ionenstroom door de porie. Deze stroom wordt vervolgens elektronisch versterkt en gemeten. Pas vrij recent hebben onderzoekers met ultramoderne microproductietechnieken nanoporiën kunnen construeren op de schaal van individuele moleculen, het openen van veel nieuwe mogelijkheden voor manipulatie en onderzoek met één molecuul.

In de huidige studie, enige ommuurde koolstofnanobuizen, 1-2 nm in diameter, werden gebruikt voor de geleidende kanalen. Toen er een stroom door de nanobuis werd geïnduceerd, segmenten van enkelstrengs DNA (bekend als oligomeren) bestaande uit 60 of 120 nucleotiden, werden in de opening van de nanobuis getrokken en verplaatst van de anodezijde van de nanobuis naar de uitgangskathodezijde, vanwege de negatieve lading die door het DNA-molecuul wordt gedragen. De snelheid van DNA-translocatie is afhankelijk van zowel de nucleotidestructuur als het molecuulgewicht van het DNA-monster.

De koolstofnanobuisjes werden gekweekt op een geoxideerde siliciumwafel. Resultaten geven aan dat onder de met succes gevormde nanobuisjes - die volledig geopend en zonder lekkage over hun lengte - een scherpe piek in elektrische activiteit wordt gedetecteerd tijdens het proces van DNA-translocatie. Verder, het omkeren van de voorspanning van de elektroden zorgt ervoor dat de stroompieken verdwijnen; het herstellen van de oorspronkelijke bias zorgde ervoor dat de spikes weer verschenen.

Lindsay benadrukt dat de tijdelijke stroompulsen, elk met ongeveer 10x7 ladingen, vertegenwoordigen een enorme versterking van de verplaatste lading. Een techniek die bekend staat als kwantitatieve polymerasekettingreactie (qPCR) werd gebruikt om te verifiëren dat de specifieke koolstofnanobuisjes die deze abnormaal scherpe stroompieken vertonen - ongeveer 20 procent van het totale monster, waren inderdaad die waardoor DNA-translocatie had plaatsgevonden.

Het team voerde moleculaire simulaties uit om te proberen het mechanisme te bepalen voor de abnormaal grote ionenstromen die in de nanobuisjes werden gedetecteerd. Observatie van stroom-spanningscurven geregistreerd bij variërende ionconcentraties toonde aan dat ionenbeweging door sommige van de buizen zeer ongebruikelijk is, hoewel het begrijpen van het precieze mechanisme waarmee DNA-translocatie aanleiding geeft tot de waargenomen stroompieken, verdere modellering vereist. Hoe dan ook, het karakteristieke elektrische signaal van DNA-translocatie door buizen met hoge ionengeleiding kan een verdere verfijning bieden in de voortdurende inspanningen om nanopore-technologie toe te passen voor snelle DNA-sequencing.

Van cruciaal belang voor succesvolle snelle sequencing door nanoporiën is de nauwkeurige controle van DNA-translocatie. De hoop is dat genetische lezing aanzienlijk kan worden versneld, terwijl er nog steeds voldoende tijd is om DNA-basen te identificeren door elektrische stroomsporen. Koolstofnanobuisjes bieden een aantrekkelijk alternatief, waardoor de controle van nanoporiënkarakteristieken eenvoudiger en betrouwbaarder wordt.

Als het proces kan worden geperfectioneerd, Lindsay benadrukt, DNA-sequencing zou duizenden keren sneller kunnen worden uitgevoerd dan met bestaande methoden, voor een fractie van de kosten. Het realiseren van het één-patiënt-één-genoom-doel van gepersonaliseerde geneeskunde zou essentiële diagnostische informatie opleveren en helpen bij het pionieren van geïndividualiseerde behandelingen voor een breed scala aan ziekten.