Wetenschappers zijn een stap dichter bij een revolutie in DNA-sequencing, na de ontwikkeling in een laboratorium van Harvard van een klein apparaat dat is ontworpen om de minieme elektrische veranderingen te lezen die worden geproduceerd wanneer DNA-strengen door kleine gaatjes - nanoporiën genaamd - in een elektrisch geladen membraan worden gevoerd.

Zoals beschreven in Natuur Nanotechnologie op 11 december een onderzoeksteam onder leiding van Charles Lieber, de Mark Hyman Jr. hoogleraar scheikunde, zijn er voor het eerst in geslaagd een geïntegreerde nanopore-detector te maken, een ontwikkeling die de deur opent naar de creatie van apparaten die arrays van miljoenen microscopisch kleine gaatjes kunnen gebruiken om DNA snel en goedkoop te sequensen.

Meer dan 15 jaar geleden voor het eerst beschreven, nanopore-sequencing meet subtiele elektrische stroomveranderingen die worden geproduceerd als de vier basismoleculen waaruit het DNA bestaat, door de porie gaan. Door die wijzigingen te lezen, onderzoekers kunnen DNA effectief sequencen.

Maar het lezen van die subtiele veranderingen in stroom is verre van eenvoudig. Een reeks uitdagingen - van het vastleggen van de kleine veranderingen in de stroom tot het opschalen van het sequencingproces - betekende dat het proces nooit op grote schaal mogelijk was. Lieber en zijn team, echter, geloven dat ze een uniforme oplossing hebben gevonden voor de meeste van die problemen.

“Tot we onze detector ontwikkelden, er was geen manier om de veranderingen in stroom lokaal te meten, ' zei Lieber. “Onze methode is ideaal omdat ze extreem gelokaliseerd is. We kunnen al het bestaande werk aan nanoporiën gebruiken, maar met een lokale detector zijn we een stap dichter bij een volledige revolutie in sequencing.”

De detector ontwikkeld door Lieber en zijn team is voortgekomen uit eerder werk aan nanodraden. Met behulp van de ultradunne draden als een transistor op nanoschaal, ze kunnen de veranderingen in stroom meer lokaal en nauwkeuriger dan ooit tevoren meten.

"De nanodraadtransistor meet de elektrische potentiaalverandering in de porie en versterkt het signaal effectief, ' zei Lieber. “Naast een groter signaal, waardoor we dingen veel sneller kunnen lezen. Dat is belangrijk omdat DNA zo groot is [dat] de doorvoer voor elke sequentiemethode hoog moet zijn. In principe, deze detector kan werken op gigahertz-frequenties.”

De sterk gelokaliseerde meting opent ook de deur naar parallelle sequencing, die arrays van miljoenen poriën gebruikt om het sequentiëringsproces drastisch te versnellen.

Naast het potentieel om de snelheid van sequencing aanzienlijk te verbeteren, de nieuwe detector belooft de kosten van DNA-sequencing drastisch te verlagen, zei Ping Xie, een medewerker van de afdeling Scheikunde en Chemische Biologie en co-auteur van het artikel waarin het onderzoek wordt beschreven.

De huidige sequentiemethoden beginnen vaak met een proces dat de polymerasekettingreactie wordt genoemd. of DNA-amplificatie, die een kleine hoeveelheid DNA duizenden miljoenen keren kopieert, waardoor het gemakkelijker wordt om te sequensen. Hoewel van cruciaal belang voor de biologie, het proces is duur, waarvoor chemische benodigdheden en dure laboratoriumapparatuur nodig zijn.

In de toekomst, Xie zei, het zal mogelijk zijn om de nanopore sequencing-technologie op een siliciumchip te bouwen, artsen toestaan, onderzoekers, of zelfs de gemiddelde persoon om DNA-sequencing als diagnostisch hulpmiddel te gebruiken.

De doorbraak van Liebers team zou binnenkort de overstap kunnen maken van laboratorium naar commercieel product. Het Harvard Office of Technology Development werkt aan een strategie om de technologie op de juiste manier te commercialiseren, inclusief het in licentie geven aan een bedrijf dat van plan is het in hun DNA-sequencingplatform op te nemen.

“Op dit moment, we zijn beperkt in ons vermogen om DNA-sequencing uit te voeren, ' zei Xie. "De huidige sequencing-technologie is waar computers in de jaren '50 en '60 waren. Het vereist veel apparatuur en is erg duur. Maar slechts 50 jaar later, computers zijn overal, zelfs in wenskaarten. Onze detector opent de deur naar een bloedafname en weet meteen waarmee een patiënt besmet is, en zeer snel behandelbeslissingen te nemen.”

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, de officiële krant van Harvard University. Voor aanvullend universiteitsnieuws, bezoek Harvard.edu.