EPFL-wetenschappers hebben een methode ontwikkeld die de nauwkeurigheid van DNA-sequencing tot duizend keer verbetert. De methode, die nanoporiën gebruikt om individuele nucleotiden te lezen, maakt de weg vrij voor betere - en goedkopere - DNA-sequencing.

DNA-sequencing is een techniek waarmee de exacte volgorde van een DNA-molecuul kan worden bepaald. Een van de meest kritische biologische en medische hulpmiddelen die vandaag beschikbaar zijn, het vormt de kern van genoomanalyse. De exacte samenstelling van genen lezen, wetenschappers kunnen mutaties detecteren, of zelfs verschillende organismen te identificeren. Een krachtige DNA-sequencingmethode maakt gebruik van kleine, poriën van nanoformaat die het DNA lezen terwijl het er doorheen gaat. Echter, "nanopore-sequencing" is gevoelig voor hoge onnauwkeurigheid omdat DNA meestal heel snel doorgaat. EPFL-wetenschappers hebben nu een stroperige vloeistof ontdekt die het proces tot duizend keer vertraagt, de resolutie en nauwkeurigheid van de methode enorm verbeteren. De doorbraak is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

Te snel lezen

DNA is een lang molecuul dat bestaat uit vier zich herhalende verschillende bouwstenen. Deze worden "nucleotiden" genoemd en zijn aan elkaar geregen in verschillende combinaties die de genetische informatie van de cel bevatten, zoals genen. Eigenlijk, de vier nucleotiden vormen alle genetische taal. DNA-sequencing probeert deze taal te ontcijferen, het weer opsplitsen in afzonderlijke letters.

Bij nanopore-sequencing, DNA gaat door een kleine porie in een membraan, net zoals een draad door een naald gaat. De porie bevat ook een elektrische stroom. Terwijl elk van de vier nucleotiden door de porie gaat, ze blokkeren de stroom op individuele manieren die kunnen worden gebruikt om ze te identificeren. Hoewel krachtig, de methode lijdt aan hoge snelheid:DNA gaat te snel door de porie om met voldoende nauwkeurigheid te worden gelezen.

Dingen vertragen

Het laboratorium van Aleksandra Radenovic bij EPFL's Institute of Bioengineering heeft nu het probleem van snelheid overwonnen door een dikke, stroperige vloeistof die de doorgang van DNA twee tot drie ordes van grootte vertraagt. Als resultaat, sequencing nauwkeurigheid verbetert tot op enkele nucleotiden.

Het onderzoek werd uitgevoerd door Jiandong Feng en Ke Liu, werken met collega's in het laboratorium van Andras Kis bij EPFL. De twee onderzoekers ontwikkelden een film gemaakt van molybdeendisulfide (MoS2), slechts 0,7 nm dik. Dit is al een innovatie ten opzichte van pogingen in het veld die grafeen gebruiken:DNA is een vrij plakkerig molecuul en MoS2 is aanzienlijk minder hechtend dan grafeen. Het team creëerde vervolgens een nanoporie op het membraan, bijna 3 nm breed.

De volgende stap was om DNA op te lossen in een dikke vloeistof die geladen ionen bevat en waarvan de moleculaire structuur kan worden aangepast om de dikte te veranderen. of "viscositeitsgradiënt". De vloeistof behoort tot de klasse van "ionische vloeistoffen op kamertemperatuur", die in feite zouten zijn die in een oplossing zijn opgelost. De EPFL-wetenschappers maakten gebruik van de afstembaarheid van de vloeistof om het tot een ideale viscositeitsgradiënt te brengen - genoeg om DNA te vertragen.

Eindelijk, het team testte hun systeem door bekende nucleotiden door te geven, opgelost in de vloeistof, meerdere keren door de nanoporie. Hierdoor konden ze een gemiddelde meting doen voor elk van de vier nucleotiden, waarmee ze later kunnen worden geïdentificeerd.

Hoewel nog in een testfase, het team wil hun werk voortzetten door hele DNA-strengen te testen. "We zoeken naar mogelijkheden om deze techniek te commercialiseren, wat veelbelovend is voor sequencing met nanoporiën in vaste toestand, ", zegt Jiandong Feng.

De wetenschappers voorspellen ook dat het gebruik van hoogwaardige elektronica en controle van de viscositeitsgradiënt van de vloeistof het systeem verder zou kunnen optimaliseren. Door ionische vloeistoffen te combineren met nanoporiën op dunne films van molybdeendisulfide, ze hopen een goedkoper DNA-sequencingplatform te creëren met een betere output.

Het werk biedt een innovatieve manier die een van de beste beschikbare DNA-sequencingmethoden kan verbeteren. "In de komende jaren, sequencing-technologie zal zeker verschuiven van onderzoek naar klinieken, " zegt Aleksandra Radenovic. "Daarvoor, we hebben snelle en betaalbare DNA-sequencing nodig - en nanopore-technologie kan dat leveren."