Wetenschappers van de Arizona State University hebben een nieuwe draai bedacht in hun pogingen om een ​​snellere en goedkopere manier te ontwikkelen om de genetische code van DNA te lezen. Ze hebben de eerste ontwikkeld, veelzijdige DNA-lezer die onderscheid kan maken tussen de vier chemische kerncomponenten van DNA - de sleutel tot het ontsluiten van de vitale code achter menselijke erfelijkheid en gezondheid.

Onder leiding van professor Stuart Lindsay van ASU Regents, directeur van het Centrum voor Single Molecule Biophysics van het Biodesign Institute, het ASU-team is een van de weinige die stimuleringsfondsen heeft ontvangen voor een National Human Genome Research Initiative, onderdeel van de National Institutes of Health, DNA-genoomsequencing zo wijdverbreid te maken als een routinematige medische controle.

Het brede doel van dit "$1000 genoom"-initiatief is het ontwikkelen van een volgende generatie DNA-sequencingtechnologie om het tijdperk van gepersonaliseerde geneeskunde in te luiden, waar kennis van de volledige, 3 miljard lange code van DNA-informatie, of genoom, zal een meer op maat gemaakte benadering van de diagnose en behandeling van ziekten mogelijk maken. Met de huidige technologieën die bijna een jaar in beslag nemen tegen een kostprijs van enkele honderdduizenden dollars, van minder dan 20 individuen op de planeet is tot nu toe de sequentie van hun hele genoom bepaald.

Om hun onderzoeksdroom waar te maken, Het team van Lindsay had het idee om een ​​kleine, DNA-lezer op nanoschaal die zou kunnen werken als een kassascanner voor supermarkten, onderscheid te maken tussen de vier chemische letters van de genetische code van DNA, afgekort door A, G, C, en T, terwijl ze snel aan de lezer voorbijgaan.

Om dit te doen, ze moesten het nanotechnologische equivalent ontwikkelen van het oog van een naald inrijgen. In dit geval, het DNA zou de draad zijn die herkend zou kunnen worden als het langs het 'oog' van de lezer bewoog. Gedurende de afgelopen jaren, Lindsay's team heeft gestage vooruitgang geboekt, en toonden voor het eerst het vermogen aan om individuele DNA-sequenties te lezen in 2008 - maar deze benadering was beperkt omdat ze vier afzonderlijke lezers moesten gebruiken om elk van de DNA-basen te herkennen. Recenter, ze toonden het vermogen aan om DNA-sequenties door het nauwe gat van een fundamentele bouwsteen van nanotechnologie te leiden, de koolstof nanobuis.

Lindsay's team vertrouwt op de ogen van nanotechnologie, scanning tunneling- (STM) en atomic force- (ATM) microscopen, om hun metingen te doen. De microscopen hebben een delicate elektrodepunt die zeer dicht bij het DNA-monster wordt gehouden.

In hun nieuwste innovatie, Lindsay's team heeft twee elektroden gemaakt, een op het einde van de microscoopsonde, en nog een aan de oppervlakte, waarvan de kleine uiteinden chemisch gemodificeerd waren om het DNA aan te trekken en op te vangen tussen een opening als een chemisch pincet. De opening tussen deze gefunctionaliseerde elektroden moest worden aangepast om de goede plek voor chemische binding te vinden, zodat wanneer een enkele chemische base van DNA door een kleine, 2,5 nanometer opening tussen twee gouden elektroden, het plakt even aan de elektroden en een kleine toename van de stroom wordt gedetecteerd. Elke kleinere, en de moleculen zouden in vele configuraties kunnen binden, verwarrend de uitlezing, eventuele grotere en kleinere bases zouden niet worden gedetecteerd.

"Wat we deden, was het aantal soorten gebonden configuraties beperken tot slechts één per DNA-base, "zei Lindsay. "Het mooie van de benadering is dat alle vier de basen precies in de 2,5 nanometer-afstand passen, dus het is one size fits all, maar gewoon zo!"

Op deze schaal, die slechts een paar atoomdiameters breed is, er zijn kwantumverschijnselen in het spel waarbij de elektronen daadwerkelijk van de ene elektrode naar de andere kunnen lekken, tunneling door de DNA-basen in het proces.

Elk van de chemische basen van de genetische code van DNA, afgekort A, C, T of G, geeft een unieke elektrische handtekening als ze tussen de opening in de elektroden passeren. Met vallen en opstaan, en een beetje serendipiteit, ze ontdekten dat slechts een enkele chemische wijziging aan beide elektroden onderscheid kon maken tussen alle 4 DNA-basen.

"We hebben nu een generieke DNA-sequentielezer gemaakt en zijn de eerste groep die de detectie van alle 4 DNA-basen in één tunnelopening rapporteert, "zei Lindsay. "Ook, de controle-experimenten laten zien dat er een bepaald (slecht) niveau van discriminatie is met zelfs kale elektroden (de controle-experimenten) en dit is op zich, ook een primeur."

"We waren nogal verrast over het binden aan kale elektroden omdat, zoals veel natuurkundigen, we waren er altijd van uitgegaan dat de honken er gewoon doorheen zouden tuimelen. Maar eigenlijk, elke oppervlaktechemicus zal je vertellen dat de basen zwakke chemische interacties hebben met metalen oppervlakken."

Volgende, Lindsay's groep is hard aan het werk om de lezer aan te passen aan het werken in op water gebaseerde oplossingen, een kritische praktische stap voor toepassingen van DNA-sequencing. Ook, het team wil de leesmogelijkheden combineren met de koolstofnanobuistechnologie om te werken aan het lezen van korte stukken DNA.

Als het proces kan worden geperfectioneerd, DNA-sequencing zou veel sneller kunnen worden uitgevoerd dan de huidige technologie, en voor een fractie van de kosten. Alleen dan zal de belofte van gepersonaliseerde geneeskunde een groot publiek bereiken.