Die kostengünstige DNA-Dekodierungstechnologie kommt dem Fortschritt der Nanoporen näher

Die Sequenzierungstechnologie ist vielversprechend als Werkzeug zur Diagnose von Krankheitserregern und zur Identifizierung von Gewebe aus der DNA, die sie enthalten. Wenn die herausfordernden technologischen Barrieren überwunden werden können, werden wir eines Tages Handheld-Geräte sehen, die DNA-Sequenzen aus Gewebeproben und der Umwelt schnell identifizieren können.

Dies ist die Ansicht eines Teams von der Universität von Washington (UW) in Seattle, das eine Technik entwickelt hat, die "Nanoporen-DNA-Sequenzierung" einbezieht, die eine bedeutende technologische Barriere für fortschreitende Sequenzierungstechnologie überwindet. Die Forscher beschreiben ihre neue Technik in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Natur Biotechnologie.

Der Projektleiter ist Jen Gundlach, ein UW-Professor für Physik. Leitender Autor Andrew Laszlo, ein Doktorand im Labor von Prof. Gundlach, sagt, einer der Gründe, warum Wissenschaftler sich für Nanopore-DNA-Sequenzierung begeistern, ist, dass sie eines Tages zu tragbaren medizinischen Scannern führen könnten, die an die multifunktionalen "Tricorder" der Starfleet-Mitarbeiter erinnern fiktives Star Trek Universum, um Krankheitserreger schnell zu entdecken oder genetische Störungen vor Ort zu diagnostizieren.

Der Schlüsselschritt ist die Fähigkeit, lange DNA-Sequenzen zu identifizieren

Die neue nanoporenbasierte Technik des UW-Teams ist wichtig, da die meisten der zur Gensequenzierung verwendeten Technologien nur mit kurzen DNA-Sequenzen arbeiten können - typischerweise mit Schnipseln von nicht mehr als 50 bis 100 der vier Nukleotide oder "Buchstaben" genetischer Code, nämlich die Moleküle Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Außerdem müssen sie in einem Labor mit großen Sequenziergeräten verarbeitet werden, und es kann Tage bis Wochen dauern, bis das Ergebnis fertig ist.

Aber die Nanopore-Technologie verspricht, dies zu transformieren und die DNA-Sequenzierungstechnologie billiger und schneller zu machen, und - jetzt mit dem Schritt, den das UW-Team eingeschlagen hat - auch mit längeren DNA-Sequenzen umzugehen.

Die Technologie nutzt ein natürliches Phänomen, das in Bakterien vorkommt, deren Membranen winzige tunnelartige Strukturen enthalten, die es ihnen ermöglichen, den Nährstofffluss in und aus ihren Zellen zu kontrollieren.

Nanopore hat eine Öffnung, die groß genug ist, um einen einzelnen DNA-Strang passieren zu können

Für ihre Studie verwendete das UW-Team eine genetisch veränderte bakterielle Pore mit einem Durchmesser von etwa einem Nanometer - oder einem Milliardstel Meter - an ihrer engsten Stelle, daher der Ausdruck "Nanopore". Solch eine Öffnung ist gerade groß genug, um einem einzelnen DNA-Strang zu erlauben, Nukleotid für Nukleotid zu passieren.

Ein DNA-Nanoporen-Sequenzer hat einen Nanoporen-Kanal zwischen zwei Salzlösungen, der mit Hilfe von Spannung dazu führt, dass Ionen durch den Kanal fließen. Der resultierende elektrische Strom kann dann gemessen werden. Wenn jedoch ein DNA-Strang den Kanal passiert, ändert er den Strom, indem er den reibungslosen Fluss der Ionen stört. Die Menge der Interferenz hängt davon ab, welches der vier Nukleotide sich zu diesem Zeitpunkt in der Nanopore befindet.

Eine solche Technologie wurde erstmals vor 20 Jahren vorgeschlagen, und die Wissenschaftler hofften, dass dies schnell zu einer schnelleren, billigeren Alternative zur Gensequenzierung führen würde. Aber ihre Bemühungen, einen solchen heiligen Gral zu erreichen, waren mit Problemen behaftet - vor allem, wenn es darum ging, die Nukleotide genau zu identifizieren, wenn sie die Nanopore passierten. Manchmal wird ein Nukleotid übersehen oder mehr als einmal gelesen, was zu einem ungenauen Auslesen einer DNA-Sequenz führt.

Aber das UW-Team fand einen Weg, das Problem zu umgehen. Ihre Lösung bestand aus zwei Teilen. Der erste Teil bestand darin, die elektronische Signatur - das einzigartige Muster von Änderungen des elektrischen Stroms in der Nanopore - zu identifizieren, wenn jede der 256 verschiedenen Kombinationen der vier Nukleotide die Nanopore durchdrang.

Der zweite Teil bestand darin, die elektronischen Signaturen, die erzeugt wurden, wenn ein DNA-Segment die Nanopore passierte, mit denen zu vergleichen, die von bekannten DNA-Sequenzen von Genen und Genomen erwartet wurden, die in einer Datenbank gespeichert waren. Eine Übereinstimmung würde zeigen, dass die bestimmte DNA-Sequenz, die durch die Nanopore verläuft, nahe oder gleich der in der Datenbank ist.

Nanoporen zum ersten Mal haben interpretierbare Signaturen langer DNA-Sequenzen erzeugt

Sie testeten ihre Methode, indem sie den Nanoporensequenzer verwendeten, um den genetischen Code eines bakterieninfizierenden Virus namens Bakteriophage Phi X 174 zu lesen, der oft verwendet wird, um neue Genomsequenzer zu testen. Sie fanden, dass ihr Nanoporensystem in der Lage war, Sequenzen bis zu 4.500 Nukleotide aus dem genetischen Code des Virus zuverlässig zu lesen.

Co-Autor Jay Shendure, UW Associate Professor für Genomwissenschaften, der die Leistung als "einen großen Schritt nach vorn" beschreibt, ist das erste Mal, dass jedermann gezeigt hat, dass Nanoporen verwendet werden können, um interpretierbare Signaturen zu erzeugen, die sehr langen DNA-Sequenzen entsprechen aus echten Genomen. "

Da es auf der Zuordnung von Mustern zu bekannten Sequenzen beruht, kann die Technologie nur zur Identifizierung bereits sequenzierter Gene und Genome verwendet werden - sie kann neu entdeckte nicht identifizieren, aber das Team ist zuversichtlich, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis eine neue Version dies ermöglicht .

Mittel des National Institutes of Health, der National Human Genome Research Institute und der National Science Foundation halfen, das Projekt zu finanzieren.

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