In experimenten met potentieel brede implicaties voor de gezondheidszorg, een onderzoeksteam onder leiding van een natuurkundige van de Universiteit van Washington heeft een methode bedacht die op zeer kleine schaal werkt om DNA snel en relatief goedkoop te sequencen.

Dat zou de deur kunnen openen voor effectievere geïndividualiseerde geneeskunde, bijvoorbeeld het verstrekken van blauwdrukken van genetische aanleg voor specifieke aandoeningen en ziekten zoals kanker, suikerziekte of verslaving.

"De hoop is dat mensen over 10 jaar al hun DNA-sequenties zullen hebben, en dit zal leiden tot gepersonaliseerde, voorspellende geneeskunde, " zei Jens Gundlach, een UW natuurkundeprofessor en hoofdauteur van een paper waarin de nieuwe techniek wordt beschreven, gepubliceerd in de week van 16 augustus in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

De techniek creëert een DNA-lezer die biologie en nanotechnologie combineert met behulp van een nanoporie uit Mycobacterium smegmatis porin A. De nanoporie heeft een opening die 1 miljardste van een meter groot is, net groot genoeg om een ​​enkele DNA-streng te meten terwijl het er doorheen gaat.

De wetenschappers plaatsten de porie in een membraan omgeven door een kaliumchloride-oplossing. Er werd een kleine spanning aangelegd om een ​​ionenstroom te creëren die door de nanoporie vloeide, en de elektrische handtekening van de stroom veranderde afhankelijk van de nucleotiden die door de nanoporie reizen. Elk van de nucleotiden die de essentie van DNA vormen - cytosine, guanine, adenine en thymine - produceerden een onderscheidende handtekening.

Het team moest twee grote problemen oplossen. Een daarvan was om een ​​korte en smalle opening te maken die net groot genoeg was om een ​​enkele DNA-streng door de nanoporie te laten gaan en om slechts één DNA-molecuul in de opening te laten zitten. Michael Niederweis van de Universiteit van Alabama in Birmingham wijzigde de M. smegmatis-bacterie om een ​​geschikte porie te produceren.

Het tweede probleem, Gundlach zei, was dat de nucleotiden door de nanoporie stroomden met een snelheid van één per miljoenste van een seconde, veel te snel om het signaal van elk DNA-molecuul te sorteren. Compenseren, de onderzoekers bevestigden een stuk dubbelstrengs DNA tussen elk nucleotide dat ze wilden meten. De tweede streng zou kort aan de rand van de nanoporie blijven hangen, het stoppen van de DNA-stroom lang genoeg om de enkele nucleotide in de nanopore-DNA-lezer te houden. Na een paar milliseconden, de dubbelstrengige sectie zou scheiden en de DNA-stroom ging door totdat een andere dubbelstrengs werd aangetroffen, waardoor het volgende nucleotide kan worden gelezen.

De vertraging, hoewel gemeten in duizendsten van een seconde, is lang genoeg om de elektrische signalen van de doelnucleotiden te lezen, zei Gundlach.

"We kunnen de DNA-sequentie praktisch aflezen van een oscilloscoopspoor, " hij zei.

Naast Gundlach en Niederweiss, andere auteurs zijn Ian Derrington, Tom Butler, Elizabeth Manrao en Marcus Collins van de UW; en Mikhail Pavlenok in Alabama-Birmingham.

Het werk werd gefinancierd door de National Institutes of Health en het National Human Genome Research Institute als onderdeel van een programma om technologie te creëren om een ​​menselijk genoom te sequencen voor $ 1, 000 of minder. Dat programma begon in 2004, terwijl het in de orde van 10 miljoen dollar kostte om een ​​genoom ter grootte van een mens te sequensen.

Het nieuwe onderzoek is een belangrijke stap in de richting van DNA-sequencing tegen een kostprijs van $ 1, 000 of minder.

"Onze experimenten schetsen een nieuwe en fundamenteel zeer eenvoudige sequencing-technologie waarvan we hopen dat deze nu kan worden uitgebreid tot een gemechaniseerd proces, ' zei Gundlach.