Een team van wetenschappers van het Biodesign Institute van de Arizona State University en T.J. Watson Research Center heeft een prototype van een DNA-lezer ontwikkeld waarmee het profileren van het hele genoom een ​​dagelijkse praktijk in de geneeskunde kan worden.

"Ons doel is om goedkope, eenvoudige en krachtige diagnostische apparaten voor DNA en eiwitten in elke dokterspraktijk, " zei Stuart Lindsay, een ASU natuurkunde professor en directeur van Biodesign's Center for Single Molecule Biophysics. Dergelijke technologie zou het tijdperk van gepersonaliseerde geneeskunde kunnen inluiden, waar informatie van het volledige DNA- en eiwitprofiel van een individu kan worden gebruikt om behandelingen te ontwerpen die specifiek zijn voor hun individuele samenstelling.

Dergelijke baanbrekende technologie is nodig om genoomsequencing werkelijkheid te maken. De huidige hindernis is om dit te doen voor minder dan $ 1, 000, een bedrag waarvoor verzekeraars eerder vergoeden.

In hun laatste onderzoeksdoorbraak, het team vormde een kleine, DNA-leesapparaat duizenden keren kleiner dan de breedte van een enkele mensenhaar.

Het apparaat is gevoelig genoeg om de individuele chemische basen van DNA te onderscheiden (bekend onder de afgekorte letters A, C, T of G) wanneer ze langs de leeskop worden gepompt.

Proof-of-concept werd gedemonstreerd, door oplossingen van de individuele DNA-basen te gebruiken, die duidelijke signalen gaven die gevoelig genoeg waren om kleine hoeveelheden DNA te detecteren (nanomolaire concentraties), zelfs beter dan de huidige state-of-the-art, zogenaamde next-generation DNA-sequencing-technologie.

Het maken van het solid-state apparaat is net als het maken van een sandwich, gewoon met ultra hightech halfgeleidergereedschappen die worden gebruikt om de atomaire lagen vlees en kaas te snijden en te stapelen, zoals het slagersblok. Het geheim is om de lagen zo te snijden en te stapelen, om de chemische informatie van het DNA om te zetten in een verandering in het elektrische signaal.

Eerst, ze maakten een "sandwich" bestaande uit twee metalen elektroden gescheiden door een isolerende laag van twee nanometer dik (een enkele nanometer is 10, 000 keer kleiner dan een mensenhaar), gemaakt met behulp van een halfgeleidertechnologie die atomaire laagafzetting wordt genoemd.

Vervolgens wordt een gat door de sandwich gesneden:DNA-basen in het gat worden gelezen als ze de opening tussen de metaallagen passeren.

"De technologie die we hebben ontwikkeld, is misschien wel de eerste grote stap in het bouwen van een sequencing-apparaat met één molecuul op basis van gewone computerchiptechnologie, ' zei Lindsay.

"Bij eerdere pogingen om tunnelovergangen te maken voor het lezen van DNA, stond de ene elektrode tegenover de andere over een kleine opening tussen de elektroden, en de gaten moesten met de hand worden aangepast. Dit maakte het onmogelijk om fabricagemethoden voor computerchips te gebruiken om apparaten te maken, ' zei Lindsay.

"Onze benadering om de opening te definiëren met behulp van een dunne laag diëlektrisch (isolatie) materiaal tussen de elektroden en deze opening bloot te leggen door een gat door de lagen te boren, is veel gemakkelijker, "zei hij. "Wat meer is, de herkenningstunneltechnologie die we hebben ontwikkeld, stelt ons in staat om een ​​relatief grote opening (van twee nanometer) te maken in vergelijking met de veel kleinere gaten die eerder nodig waren voor het uitlezen van tunnelstroom (die minder dan een enkele nanometer breed waren). De mogelijkheid om grotere openingen te gebruiken voor tunneling maakt de fabricage van het apparaat veel gemakkelijker en geeft DNA-moleculen ruimte om de elektroden te passeren."

specifiek, wanneer een stroom door de nanoporie gaat, als het DNA er doorheen gaat, het veroorzaakt een stroompiek die uniek is voor elke chemische basis (A, C, T of G) in het DNA-molecuul. Er zijn nog een paar wijzigingen aangebracht om de fabricage van het apparaat te polijsten en af ​​te ronden.

Het team ondervond een aanzienlijke variatie van apparaat tot apparaat, dus kalibratie zal nodig zijn om de technologie robuuster te maken. En de laatste grote stap - het verkleinen van de diameter van het gat door het apparaat tot die van een enkel DNA-molecuul - moet nog worden genomen.

Maar over het algemeen, het onderzoeksteam heeft een schaalbaar productieproces ontwikkeld om een ​​apparaat te maken dat urenlang betrouwbaar kan werken, het identificeren van elk van de chemische DNA-basen terwijl het door de opening van twee nanometer stroomt.

Het onderzoeksteam werkt ook aan het aanpassen van de techniek om andere afzonderlijke moleculen te lezen, die zou kunnen worden gebruikt in een belangrijke technologie voor de ontwikkeling van geneesmiddelen.

De nieuwste ontwikkelingen kunnen ASU ook big business opleveren. Lindsay, door de media een "serie-ondernemer" genoemd, heeft een nieuwe spin-out onderneming, genaamd Recognition Analytix, dat hoopt het succes van Molecular Imaging Corp te volgen, een soortgelijk instrumentbedrijf dat hij in 1993 mede oprichtte, en in 2005 verkocht aan Agilent Technologies.

Het onderzoek werd gefinancierd door het National Institutes of Health's National Human Genome Research Institute, Roche, en gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .