Een nieuwe techniek voor het lezen van de DNA-code is gebaseerd op een fundamentele eigenschap van materie die bekend staat als kwantumtunneling. die op subatomaire schaal werkt. Het huidige artikel laat zien dat enkele basen in een DNA-keten inderdaad kunnen worden gelezen met tunneling, zonder inmenging van naburige bases, de weg wijzen naar lage kosten, snelle DNA-sequencing.

het draaien, ladderachtige vorm van het DNA-molecuul - de architecturale plattegrond van het leven - bevat een universum van informatie die cruciaal is voor de menselijke gezondheid. Er is enorm veel moeite gestoken in het ontcijferen van de genetische code, inclusief, meest bekende, het menselijk genoomproject. Hoe dan ook, het proces van het lezen van zo'n drie miljard nucleotide "letters" om het volledige genoom van een individu te onthullen, blijft een kostbare en complexe onderneming.

Nu biofysicus Stuart Lindsay, van het Biodesign Institute aan de Arizona State University, heeft een techniek aangetoond die kan leiden tot snelle, goedkope uitlezing van hele genomen, door herkenning van de chemische basiseenheden - de nucleotidebasen waaruit de dubbele DNA-helix bestaat. Een betaalbare techniek voor DNA-sequencing zou een enorme vooruitgang zijn voor de geneeskunde, routinematige klinische genomische screening mogelijk maken voor diagnostische doeleinden; het ontwerp van een nieuwe generatie op maat gemaakte geneesmiddelen; en zelfs genomisch sleutelen om de cellulaire weerstand tegen virale of bacteriële infectie te verbeteren.

Lindsay is een ASU Regents' Professor en Carson Presidential Chair of Physics and Chemistry, evenals directeur van het Center for Single Molecule Biophysics van het Biodesign Institute. Het onderzoek van zijn groep verschijnt in het huidige nummer van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Lindsay's techniek voor het lezen van de DNA-code is gebaseerd op een fundamentele eigenschap van materie die bekend staat als kwantumtunneling, die op subatomaire schaal werkt. Volgens de kwantumtheorie, elementaire deeltjes zoals elektronen kunnen heel vreemde en contra-intuïtieve dingen doen, in strijd met de klassieke wetten van de fysica. Dergelijke subatomaire, kwantumentiteiten hebben zowel een deeltje als een golfachtig karakter. Een deel van het gevolg hiervan is dat een elektron enige kans heeft om van de ene kant van een barrière naar de andere te gaan, ongeacht de hoogte of breedte van een dergelijke barrière.

Opmerkelijk, een elektron kan deze prestatie leveren, zelfs wanneer de potentiële energie van de barrière de kinetische energie van het deeltje overschrijdt. Dergelijk gedrag staat bekend als kwantumtunneling, en de stroom van elektronen is een tunnelstroom. Tunnelen is beperkt tot kleine afstanden - zo klein dat een tunneljunctie één DNA-base zou moeten kunnen lezen (er zijn er vier in de gentische code, EEN, T, C en G) tegelijk zonder interferentie van flankerende bases. Maar dezelfde gevoeligheid voor afstand betekent dat trillingen van het DNA, of tussenliggende watermoleculen, verpest het tunnelsignaal. Dus de Lindsay-groep heeft 'herkenningsmoleculen' ontwikkeld die op hun beurt elke base 'vastgrijpen', klem de basis tegen de elektroden die het signaal uitlezen. Ze noemen deze nieuwe methode 'herkenningstunneling'.

Het huidige artikel in Nature Nanotechnology laat zien dat enkele basen in een DNA-keten inderdaad kunnen worden gelezen met tunneling, zonder tussenkomst van naburige bases. Elke basis genereert een duidelijk elektronisch signaal, stroompieken van een bepaalde grootte en frequentie die dienen om elke basis te identificeren. Verrassend genoeg, de techniek herkent zelfs een kleine chemische verandering die de natuur soms gebruikt om de expressie van genen te verfijnen, de zogenaamde "epigenetische" code. Hoewel de genetische code van een individu in elke cel hetzelfde is, de epigenetische code is weefsel- en celspecifiek en in tegenstelling tot het genoom zelf, het epigenoom kan reageren op veranderingen in de omgeving tijdens het leven van een individu.

Om langere stukken DNA te lezen, Lindsay's groep werkt aan het koppelen van de uitlezing van de tunnel aan een nanoporie - een klein gaatje waardoor DNA wordt gesleept, een basis tegelijk, door een elektrisch veld. Het artikel in Nature Nanotechnology heeft ook iets te zeggen over dit probleem. "Er is altijd gedacht dat het probleem met het passeren van DNA door een nanoporie is dat het er zo snel doorheen vliegt dat er geen tijd is om de volgorde te lezen", zegt Lindsay. Verrassend genoeg, de tunneling signalen gerapporteerd in de Nanotechnologie van de natuur papier gaat lang mee - bijna een seconde per gelezen basis.

Om dit resultaat te testen, Lindsay werkte samen met een collega, Robert Ros, om te meten hoe hard men moet trekken om het complex van een DNA-base plus de herkenningsmoleculen te breken. Dit deden ze met een atoomkrachtmicroscoop. "Deze metingen bevestigden de lange levensduur van het complex, en toonde ook aan dat de leestijd naar believen kan worden versneld door het toepassen van een kleine extra trekkracht", zegt Ros. "Zo is het podium klaar voor het combineren van tunneling-lezingen met een apparaat dat DNA door een nanoporie laat gaan", zegt Lindsay.

Sequentie door herkenningstunneling, indien bewezen succesvol voor het lezen van het hele genoom, kan een aanzienlijke kostenbesparing betekenen en hopelijk ook qua tijd. Bestaande methoden voor DNA-sequencing zijn meestal gebaseerd op het knippen van het volledige molecuul in duizenden componentbits, de ladder van complementaire basen uit elkaar knippen en deze fragmenten lezen. Later, de stukken moeten zorgvuldig opnieuw worden gemonteerd, met behulp van enorme rekenkracht. "Directe uitlezing van de epigenetische code is de sleutel om te begrijpen waarom cellen in verschillende weefsels verschillend zijn, ondanks dat ze hetzelfde genoom hebben", voegt Lindsay toe, een verwijzing naar het nieuwe vermogen om epigenetische modificaties te lezen met tunneling.

Lindsay benadrukt dat er nog veel werk moet worden verzet voordat de toepassing van sequencing door middel van herkenning een klinische realiteit kan worden. "Direct, we kunnen maar twee of drie basen lezen als de tunnelsonde eroverheen drijft, en sommige basen zijn nauwkeuriger geïdentificeerd dan andere, "zegt hij. Echter, de groep verwacht dat dit zal verbeteren naarmate toekomstige generaties herkenningsmoleculen worden gesynthetiseerd.

"De basisfysica is nu gedemonstreerd", zegt Lindsay, toevoegen "misschien is het binnenkort mogelijk om deze principes in massaproductie computerchips op te nemen." De dag van het "genoom op een laptop" komt misschien eerder dan eerder voor mogelijk werd gehouden.