(Phys.org) —Een goedkope technologie kan het mogelijk maken om lange DNA-sequenties veel sneller te lezen dan de huidige technieken.

Het onderzoek bevordert een technologie, nanoporeuze DNA-sequencing genoemd. Als het geperfectioneerd zou zijn, zou het ooit kunnen worden gebruikt om draagbare apparaten te maken die in staat zijn om snel DNA-sequenties uit weefselmonsters en de omgeving te identificeren, aldus de onderzoekers van de Universiteit van Washington die de aanpak hebben ontwikkeld en getest.

"Een reden waarom mensen zo enthousiast zijn over DNA-sequencing met nanoporiën, is dat de technologie mogelijk kan worden gebruikt om 'tricorder'-achtige apparaten te maken voor het snel en ter plaatse detecteren van pathogenen of het diagnosticeren van genetische aandoeningen, " zei Andrew Laszlo, hoofdauteur en een afgestudeerde student in het laboratorium van Jen Gundlach, een UW-hoogleraar natuurkunde die het project leidde.

Het artikel "Decoding long nanopore sequencing reads of natural DNA" beschrijft de nieuwe techniek. Het verschijnt 25 juni in de geavanceerde online editie van het tijdschrift Natuur Biotechnologie .

De meeste van de huidige technologieën voor het sequensen van genen vereisen het werken met korte DNA-fragmenten, typisch 50 tot 100 nucleotiden lang. Deze moeten door grote sequencers in een laboratorium worden verwerkt. Het omslachtige proces kan dagen tot weken duren.

Nanopore-technologie maakt gebruik van de kleine, tunnelachtige structuren gevonden in bacteriële membranen. In de natuur, dergelijke poriën zorgen ervoor dat bacteriën de stroom van voedingsstoffen door hun membranen kunnen regelen.

UW-onderzoeker gebruikte de nanopore Mycobacterium smegmatis porin A (MspA). Deze bacteriële porie is genetisch gewijzigd, zodat het smalste deel van het kanaal een diameter heeft van ongeveer een nanometer, of 1 miljardste van een meter. Dit is groot genoeg om een ​​enkele DNA-streng door te laten. De gemodificeerde nanoporie wordt vervolgens ingebracht in een membraan dat twee zoutoplossingen scheidt om een ​​kanaal te creëren dat de twee oplossingen verbindt.

Om een ​​sequentie van DNA met dit systeem te lezen, er wordt een kleine spanning over het membraan aangelegd om de ionen van de zoutoplossing door de nanoporie te laten stromen. De ionenstroom creëert een meetbare stroom. Als een DNA-streng aan de ene kant van het membraan aan de oplossing wordt toegevoegd en vervolgens een porie binnendringt, de omvangrijke DNA-moleculen zullen de stroom van het veel kleinere ion belemmeren en daardoor de stroom veranderen. Hoeveel de stroom verandert, hangt af van welke nucleotiden - de individuele moleculen adenine, guanine, cytosine en thymine die de DNA-keten vormen, bevinden zich in de porie. Door veranderingen in stroom te detecteren, kan worden onthuld welke nucleotiden op een bepaald moment door het kanaal van de nanoporie gaan.

Sinds de techniek voor het eerst werd voorgesteld in de jaren negentig, onderzoekers hoopten dat DNA-sequencing met nanoporiën een goedkope, snel alternatief voor de huidige gensequencing. Maar hun pogingen zijn gefrustreerd door verschillende uitdagingen. Het is moeilijk om elke nucleotide één voor één te identificeren als ze door de nanopore gaan. In plaats daarvan, onderzoekers moeten werken met veranderingen in stroom geassocieerd met vier nucleotiden tegelijk. In aanvulling, sommige nucleotiden kunnen worden gemist of meer dan eens worden gelezen. Bijgevolg, de huidige nanopore-sequencingtechnologie levert een onnauwkeurige uitlezing van een DNA-sequentie op.

De UW-onderzoekers beschrijven hoe ze deze problemen hebben omzeild. De onderzoekers identificeerden eerst de elektronische handtekeningen van alle mogelijke nucleotidecombinaties met de vier nucleotiden waaruit DNA bestaat - in totaal 256 combinaties (4 x 4 x 4 x 4).

Vervolgens creëerden ze computeralgoritmen om de huidige veranderingen te matchen die worden gegenereerd wanneer een DNA-segment door de porie gaat met de huidige veranderingen die worden verwacht van DNA-sequenties van bekende genen en genomen die zijn opgeslagen in een computerdatabase. Een match zou aantonen dat de sequentie van het DNA dat door de porie ging, identiek was aan of dicht bij de DNA-sequentie die in de database was opgeslagen. Het hele proces zou minuten tot een paar uur duren, in plaats van weken.

Om deze aanpak te testen, de onderzoekers gebruikten hun nanoporiënsysteem om de sequentie van bacteriofaag Phi X 174 te lezen, een virus dat bacteriën infecteert en dat vaak wordt gebruikt om nieuwe technologieën voor genoomsequencing te evalueren. Ze ontdekten dat de aanpak op betrouwbare wijze de DNA-sequenties van de bacteriofaag kon lezen en sequenties tot 4, 500 nucleotiden.

"Dit is de eerste keer dat iemand heeft aangetoond dat nanoporiën kunnen worden gebruikt om interpreteerbare handtekeningen te genereren die overeenkomen met zeer lange DNA-sequenties van echte genomen, " zei co-auteur Jay Shendure, een UW universitair hoofddocent genoomwetenschappen wiens laboratorium toepassingen van genoomsequencing-technologieën ontwikkelt. "Het is een grote stap voorwaarts."

Omdat de techniek afhankelijk is van het matchen van metingen met databases van eerder gesequenced genen en genomen, het kan nog niet worden gebruikt om een ​​nieuw ontdekt gen of genoom te sequensen, zeiden de onderzoekers, maar met enkele verfijningen, zij voegden toe, het moet mogelijk zijn om de prestaties op dit gebied te verbeteren. Om het onderzoek naar deze nieuwe technologie te versnellen, de wetenschappers maken hun methoden, gegevens en computeralgoritmen volledig beschikbaar voor iedereen.

"Ondanks de resterende hindernissen, onze demonstratie dat een goedkoop apparaat betrouwbaar de sequenties van natuurlijk voorkomend DNA kan lezen en DNA-segmenten kan interpreteren tot 4, Een lengte van 500 nucleotiden vertegenwoordigt een grote vooruitgang in de DNA-sequencing van nanoporiën, ' zei Gundlach.