(PhysOrg.com) -- Het Human Genome Project maakte de weg vrij voor genomica, de studie van het genoom van een organisme. Gepersonaliseerde genomica kan de relatie tussen DNA-sequentievariaties tussen individuen en hun gezondheidstoestand en reacties op medicijnen en behandelingen vaststellen. Om genoomsequencing een routineprocedure te maken, echter, de tijd moet worden teruggebracht tot minder dan een dag en de kosten tot minder dan $ 1, 000 -- een prestatie die niet mogelijk is met de huidige kennis en technologieën.

In 2008, een onderzoeksteam onder leiding van Aleksei Aksimentiev, assistent-professor in de afdeling natuurkunde aan de Universiteit van Illinois-Urbana-Champaign, begon een project om machines voor persoonlijke genoomsequencing te maken die toegankelijker zullen zijn voor ziekenhuizen. Met behulp van Jaguar van Oak Ridge National Laboratory, een van 's werelds snelste supercomputers, Aksimentiev en zijn team ontwikkelen een nanoporiënbenadering, wat een drastische vermindering van tijd en kosten voor DNA-sequencing belooft. Hun onderzoek onthult de vorm van DNA dat door een enkele nanoporie beweegt - een eiwitporie van een miljardste meter breed die door een membraan gaat. Als het DNA door de porie gaat, de volgorde van nucleotiden (DNA-bouwstenen) wordt uitgelezen door een detector.

"Het belangrijkste obstakel van sequencing met behulp van de oudere generaties biologische en synthetische nanoporiën was het onvermogen om de DNA-sequentie te identificeren tot een resolutie van één nucleotide, "Zei Aksimentiev. "De nucleotiden gingen te snel door de nanopore voor wetenschappers om het DNA te sequensen."

Aksimentiev's groep gebruikt de nanopore MspA, een gemanipuleerd eiwit. De sequentie moet worden gewijzigd om sterker te binden aan de bewegende DNA-streng. MspA is een ideaal platform voor het sequencen van DNA omdat wetenschappers nu dammen in de porie kunnen meten, wat de reis van DNA door het eiwit zou kunnen vertragen. Het veranderen van het MspA-eiwit om moederdieren te optimaliseren is zowel tijdrovend als kostbaar in een laboratorium, maar eenvoudig op een computer. Bijvoorbeeld, om het eiwit op enigerlei wijze te veranderen, wetenschappers moeten bepalen of de specifieke mutatie die ze introduceren stabiel is en of het idee redelijk is. Daarom, de wetenschappers simuleren eerst MspA om te beslissen over een mutatie om ideeën met een hoog risico te induceren en te testen voordat ze in een experiment worden geïmplementeerd.

Het onderzoeksteam gebruikt de code NAMD, die minimale energietoestanden van atomen in een groot biomoleculair systeem berekent en een indicator is van welke vormen de moleculen het meest comfortabel zouden aannemen. Het team bouwt eerst een model van het MspA-eiwit ondergedompeld in een lipide dubbellaag en elektrolytoplossing. Een DNA-streng van een gewenste nucleotidesequentie wordt vervolgens door de MspA-nanoporie geregen. Vervolgens simuleren de wetenschappers het effect van een elektrisch veld dat ionen en DNA door de MspA-nanoporie stuurt.

De simulatie maakt gebruik van moleculaire dynamica, of berekeningen van de beweging van elk atoom in een moleculair systeem volgens de natuurwetten, om het experimentele systeem na te bootsen. De resultaten van de simulaties kunnen direct worden vergeleken met die van experimenten omdat beide benaderingen de ionenstroom meten, volgens Aksimentiev. Door de posities van elk DNA-atoom en -ion te kennen, wetenschappers hebben een voordeel:ze kunnen de nanopore-sequencing optimaliseren met behulp van een rationeel ontwerp om een ​​porie te produceren die nauwer aansluit bij het DNA, het vertragen van de reis van het molecuul door de porie tot een snelheid die resolutie van één nucleotide mogelijk maakt.

Het sequencingwerk wordt gefinancierd door het National Human Genome Research Institute van de National Institutes of Health. De methodeontwikkeling van het project wordt mede gefinancierd door de National Science Foundation. Tot de medewerkers van het project behoren twee experimentele groepen:de ene geleid door Jens Gundlach aan de Universiteit van Washington-Seattle en de andere door Michael Niederweis aan de Universiteit van Alabama-Birmingham.

Het onderzoek ontving 10 miljoen processoruren op Jaguar via de Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment, of INCITE, programma, die aanzienlijke toewijzingen op enkele van 's werelds krachtigste supercomputers toekent aan projecten die grote uitdagingen op het gebied van wetenschap en techniek aanpakken. Met de INCITE-toewijzing, de wetenschappers waren in staat om de dammen in de MspA-nanoporie te reproduceren voor het type DNA-nucleotiden dat erin is beperkt, het vertragen van de sequentiebeweging door de nanoporie.

"We hebben een pilotstudie uitgevoerd op verschillende varianten van de MspA-nanoporie en hebben een aanzienlijke vermindering van de snelheid van de DNA-streng waargenomen, " zei Aksimentiev. "Deze zeer voorlopige resultaten suggereren dat het bereiken van een 100-voudige vermindering van de DNA-snelheid, die voldoende zou moeten zijn om de DNA-sequentie uit te lezen met een resolutie van één nucleotide, ligt binnen handbereik. Toekomstige studies zullen op dit doel worden gericht."

Het team hoopt de doelstelling van dit project tegen 2013 te bereiken en is van plan een aantal spannende spin-offprojecten voort te zetten, zei Aksimentiev. De mogelijkheid om genoomsequencing betaalbaar te maken, zal programma's als het Cancer Genome Project mogelijk maken, die kenmerkend is voor DNA-mutaties in kankercellen in verschillende weefsels in alle stadia van kankerontwikkeling.