Onderzoekers van CU Boulder ontwikkelen nieuwe technieken voor snellere, meer kosteneffectieve DNA-sequencing van één molecuul die een transformatieve impact kan hebben op genetische screening, de weg vrijmaken voor vooruitgang in de ontwikkeling van vaccins, vroege opsporing van kanker en orgaantransplantaties.

De nieuwe methoden - waarvan er één gebaseerd is op kwantumelektronica op nanoschaal en één op optica - zou iemand op een dag in staat kunnen stellen zijn of haar genoom in minder dan twee minuten te sequensen met behulp van eenvoudige apparatuur, zei Prashant Nagpal, een assistent-professor in de afdeling Chemische en Biologische Technologie van CU Boulder.

"We onderzoeken unieke methoden om nauwkeurige, nuttige genetische informatie sneller en goedkoper, ' zei Nagpal.

DNA sequentie, die de precieze volgorde van nucleotiden in biologische moleculen bepaalt, kunnen worden gebruikt om individuele genen of hele genetische regio's in kaart te brengen. Sinds de oprichting in de jaren vijftig, sequencing is opgenomen in de geneeskunde, evolutionaire biologie en andere biowetenschappelijke gebieden, dit alles terwijl de snelheid en verwerkingskracht met hele ordes van grootte toenemen.

Nagpal beschrijft zijn nieuwe onderzoek als een tijdige herinterpretatie van een technologie die al tientallen jaren bestaat, maar is de afgelopen jaren op fundamentele beperkingen gestuit.

"Het menselijk genoom bestaat uit meer dan 3 miljard DNA-basenparen, "zei Nagpal. "Momenteel, sequencing is gebaseerd op het bemonsteren van 20 tot 30 van deze paren tegelijk, wat goed is om te hebben, maar kan je alleen zoveel vertellen."

De huidige steekproefmethode, Nagpal zegt, opent de mogelijkheid voor replicatiefouten in de grotere dataset die fijnkorrelige markers in iemands genetische profiel over het hoofd zouden kunnen zien. Bemonstering met één molecuul, hij zegt, geeft een nauwkeuriger beeld.

Nagpal en zijn team wendden zich tot kwantumelektronica voor de oplossing. Ze sturen een kleine lading door een DNA- of RNA-molecuul, en registreer metingen van alle nucleotiden in enkelvoudige moleculen. De sequentie identificeerde de nucleotiden met een nauwkeurigheid van 99,7 procent, van 80 procent bereikt door andere nanotechnologiemethoden.

De vorderingen in op kwantum gebaseerde sequencing zijn onlangs beschreven in de tijdschriften ACS Nano en Tijdschrift van de American Chemical Society . De W. M. Keck Foundation ondersteunde al het single-molecule sequencing-onderzoek.

Nagpal heeft ook een op optica gebaseerde methode ontwikkeld voor sequencing van één molecuul die een diodelaser en een camera gebruikt die vergelijkbaar is met die van een gemiddelde smartphone om snel nucleotidesequenties te identificeren. Vanwege zijn unieke fysische eigenschappen als zowel een deeltje als een golf, licht is een handiger middel om informatie te verzamelen en in gecomprimeerde vorm door te geven.

In een aanstaande paper die momenteel in de pers in het tijdschrift staat Klein , Nagpal en zijn collega's toonden aan dat een sequencing-methode met hoge doorvoer massaal kan worden geparallelliseerd met behulp van een chip-array van twee millimeter die seconden in plaats van uren kan duren.

"Met deze methode van bloksequencing, je hoeft niet eens te rangschikken op het niveau van enkele letters zoals A, C, G en T, "zei Nagpal. "Je kunt dezelfde informatie sneller extrapoleren, vergelijkbaar met hoe je een gecomprimeerde versie van een film bekijkt op YouTube of Netflix."

Het onderzoek bevindt zich nog in de beginfase, en Nagpal zegt dat de volgende stap zou zijn om de sequentiemethoden toe te passen op complexere bacteriële monsters. In de toekomst, hij stelt zich een draagbare DIY-sequencingkit voor die ongeveer $ 1 zou kosten. Een persoon kan een DNA-uitstrijkje nemen, zet het op de microchip en wacht 100 seconden om gegevens te ontvangen die potentieel risicovolle genetische markers voor kanker kunnen onthullen, bijvoorbeeld, of cruciale informatie verstrekken aan artsen die organen proberen te matchen met ontvangers van transplantaties.

"Op schaal, de potentiële toepassingen zijn enorm, " zei Nagpal. "Van het identificeren van antibioticaresistentie tot het versnellen van de ontdekking van geneesmiddelen, verbeteringen in de snelheid en nauwkeurigheid van sequencing kunnen voor veel wetenschappelijke gebieden transformerend zijn."

Andere co-auteurs van deze single-molecule sequencing-methoden zijn Lee Korshoj, Sepideh Afsari, Manjunatha Sagar, Gary Abel and Assistant Professor Anushree Chatterjee, all of CU Boulder's Department of Chemical and Biological Engineering.