Structuren die een draai aan licht geven, onthullen kleine hoeveelheden DNA met een 50 keer betere gevoeligheid dan de beste huidige methoden, een samenwerking tussen de Universiteit van Michigan en de Jiangnan Universiteit in China heeft aangetoond.

Zeer gevoelige detectie van DNA kan helpen bij de diagnose van patiënten, het oplossen van misdaden en het identificeren van de oorsprong van biologische verontreinigingen zoals een ziekteverwekker in een watervoorziening.

"Het maakt echt niet uit waar het doel-DNA vandaan komt, " zei Nicholas Kotov, de Joseph B. en Florence V. Cejka hoogleraar Chemical Engineering aan de U-M. "Om een ​​specifiek DNA te detecteren, we hoeven alleen maar een klein deel van de volgorde te kennen."

Huidige DNA-analysemethoden zijn gebaseerd op het kopiëren van segmenten van een DNA-streng. Het proces ritst de dubbele helix open en kort, in het laboratorium gemaakte 'primer'-DNA-strengen hechten zich aan elke helft van het oorspronkelijke DNA. Deze primers zetten het kopieerproces op gang, met behulp van het uitgepakte DNA als sjabloon. Op deze manier kunnen gerichte DNA-segmenten worden gerepliceerd, verdubbelt elke cyclus. Als er voldoende DNA wordt geproduceerd voordat kopieerfouten een groot probleem worden, dan kan nader onderzoek uitwijzen of het monster overeenkomt met een verdachte, bijvoorbeeld.

Maar als de primers erg selectief waren voor de verdachte DNA-sequentie, dan kon een match worden bepaald door simpelweg te detecteren of het DNA gekopieerd was of niet. Studies toonden aan dat kleine hoeveelheden DNA konden worden waargenomen wanneer sferische gouden nanodeeltjes aan de primers werden bevestigd. Als het DNA overeenkwam met vermoedens, tijdens het replicatieproces zouden zich strings van deeltjes vormen die aan elkaar zijn gebonden met DNA. De oplossing van nanodeeltjes zou van kleur veranderen van rood naar blauw, vanwege de manier waarop de strings van deeltjes interageren met licht.

"Indrukwekkende detectielimieten werden bereikt voor korte DNA's met nanodeeltjes, maar niet voor lang DNA, ' zei Kotov.

Het probleem, hij legde uit, is dat als de deeltjes verder van elkaar verwijderd zijn dan enkele nanometers, of miljoensten van een millimeter, "ze hebben geen sterke interactie en de blauwe kleur komt niet voor." Er zijn langere strengen nodig om nauwkeuriger onderscheid te maken tussen soorten en individuen.

"Als de strengen te kort zijn, je zou het DNA van een moordenaar kunnen verwarren met dat van de hond van de vriend - of een handtekening van kwaadaardige maagkanker met het stuk van een kipburrito, ' zei Kotov.

Hij en zijn partner Chuanlai Xu, een professor in voedingswetenschap en -technologie aan de Jiangnan University in China, leidde tot een poging om te zien of een meer subtiele optische verandering zou standhouden voor langere afstanden.

In plaats van bolvormige nanodeeltjes te gebruiken, het team begon met nanostaafjes, in de vorm van kleine snoepjes van Mike en Ike, ongeveer 62 nanometer lang en 22 nanometer in diameter. Ze bevestigden het primer-DNA aan de zijkanten hiervan.

Wanneer nanostaafjes op één lijn liggen, ze hebben de neiging om ongeveer 10 graden uit te lijnen. Na een paar rondes kopiëren, de goud- en DNA-structuren leken op gedraaide touwladders. Licht dat door de spiraal van gouden spaken ging, reageerde door te roteren.

"Het licht kan worden gedraaid, zelfs als de nanostaafjes ver van elkaar verwijderd zijn, " zei Kotov. "Dit geeft onze methoden een enorm voordeel in gevoeligheid voor lange DNA-strengen."

De rotatie vindt plaats omdat licht is samengesteld uit elektrische en magnetische golven die in tandem bewegen, en elektrische en magnetische velden oefenen krachten uit op geladen deeltjes die vrij kunnen bewegen, zoals elektronen in metalen. De elektronen in goud reageren heel goed op de frequentie van zichtbare lichtgolven, dus beginnen ze heen en weer te bewegen in het goud, gesynchroniseerd met het licht. Dit effect is tweerichtingsverkeer:de bewegende elektronen in het goud kunnen ook de lichtgolven beïnvloeden.

Kotov vergelijkt het licht met een touw waar rimpelingen doorheen lopen.

"Stel je nu voor dat de lucht rond het touw gemakkelijker in bepaalde richtingen kan bewegen, ' zei Kotov.

Voor licht dat door de gouden nanostaafjes gaat, het is het gemakkelijkst als de elektrische golf op en neer beweegt over de lengte van de nanostaafjes, dus het licht roteert terwijl het van nanostaafje naar nanostaafje beweegt en blijft draaien nadat het de structuur verlaat. En afhankelijk van of het licht begint te draaien met de klok mee of tegen de klok in, het voelt de draaiing van de nanostaafjes het meest bij verschillende golflengten.

"Voor analytische doeleinden, dit is een cadeau, ' zei Kotov.

De twee pieken in de hoeveelheid draaien voor licht met de klok mee en tegen de klok in kunnen bij elkaar worden opgeteld, dat zorgt voor een sterker signaal en stelt de methode in staat om een ​​match te identificeren met kleinere hoeveelheden DNA.

"De kracht van de rotatie bereikt het maximum wanneer de opening tussen nanostaafjes 20 nanometer is, dat is precies wat we nodig hebben voor de detectie van lange, selectieve en soortspecifieke DNA-strengen, " zei Kotov. "De gepresenteerde berekeningen laten zien dat we de gevoeligheid in de toekomst en voor nog langere DNA's mogelijk nog meer kunnen verhogen."