DNA-chip giver positiv ID

I de sidste fem år har DNA-chips været et kraftfuldt forskningsværktøj, der lover meget for fremtidig brug i kliniske omgivelser. Disse bittesmå silicium- eller glasoverflader, dækket af tusindvis af DNA-fragmenter, bruges af forskere til at opdage gener i DNA-prøver. Men stadig uhåndgribelig er den hellige gral i denne teknologi - en enkelt fuldautomatisk håndholdt enhed eller laboratorium på en chip, der øjeblikkeligt kan analysere DNA fra en enkelt hårstrå eller bloddråbe.

En virksomhed, der har taget et stort skridt i den retning, er San Diego-baserede Nanogen. Dens NanoChip er i øjeblikket den eneste DNA-chip på markedet, der bruger mikrofluidik - kanalisering af væsker på en chipoverflade - og elektronisk signalering for mere præcist at identificere genvarianter og mutationer. Dette kan føre til mere nøjagtig påvisning af patogener, mikroorganismer eller undertyper af genetisk-baserede sygdomme.

Mød og match

Alle DNA-chips er baseret på en iboende egenskab ved DNA: Når den velkendte dobbelthelix er delt i to, vil hvert stykke DNA forsøge at genforbinde med et andet, komplementært stykke - en proces kaldet hybridisering.

Overfladen af ​​konventionelle DNA-chips, som dem, der produceres af biochip-giganten Affymetrix, er normalt dækket af titusindvis af DNA-strenge, kaldet prober. I en typisk anvendelse mærkes gener fra f.eks. en cancertumor med et fluorescerende farvestof og påføres chipoverfladen. De, der matcher, binder sig til proberne, og resten vaskes af. De fluorescerende markører, aflæst med en scanner, giver forskere mulighed for at identificere de DNA-sekvenser, der udgør de bundne gener. Denne proces kan tage op til tre timer.

I mange tilfælde kan bindingen af ​​prøvegenet og dets matchende probe imidlertid skjule en mismatch af et eller to basebogstaver (byggestenene i DNA). Til de fleste formål er denne grad af præcision tilstrækkelig, da den giver forskere mulighed for at identificere gener eller genfamilier med tillid.

Men når forskere skal identificere den nøjagtige genvariant - for for eksempel at skelne mellem forskellige undertyper af en sygdom - kan et eller to bogstaver stave hele forskellen.

Elektrisk flow

Nanogen håber, at NanoChip vil opfylde dette behov. Den er mere specialiseret end konventionelle DNA-chips og bruger mikrofluidik, elektronik og et smart stykke reverse engineering for at nå frem til et perfekt match.

Inden i chippen fører en række mikrofluidkanaler til en central kerne, der indeholder 99 teststeder, som hver især kan styres uafhængigt med en elektrisk ladning. Mens standard DNA-chips er udstyret med prober, ankommer NanoChip-patronen tom og skal tilpasses. For at forberede chippen anbringes DNA-prober i mikrofluidkanalerne, og en elektrisk ladning påføres de teststeder, der skal holde proberne. Da DNA indeholder en iboende negativ ladning, trækkes proberne ned gennem kanalerne til de ønskede steder.

En elektrisk ladning fremskynder også hybridiseringsprocessen og trækker genprøver ned til proberne. Efter hybridisering vendes den elektriske ladning. Kun perfekt matchede prøver er tilbage, og outputtet læses derefter på en tilpasset skrivebordsarbejdsstation. Hele processen tager cirka 15 minutter.

Indtil videre har det givet 100 procent nøjagtighed, siger Paolo Fortina, en forsker ved børnehospitalet i Philadelphia, som har brugt NanoChip i næsten et år, primært til at validere resultater fra en DNA-sequencer. For nylig brugte han NanoChip i en undersøgelse af genvarianter og hjerte-kar-sygdomme.

Andre platforme

I et felt, der er rigt på eksperimenter, bejler andre biotekvirksomheder også efter succes med deres egne tilgange til DNA-chipkonstruktion.

Motorolas eSensor-gruppe - som Nanogen for nylig afgjorde en patentstrid med om molekylære detektionsmetoder - planlægger at komme på markedet med sin egen DNA-chip til efteråret. Motorolas chip bruger elektronik ikke til at øge hastigheden og præcisionen, men til at identificere hybridiseret DNA uden fluorescens. eSensor-chippen indeholder sonder mærket med et elektronisk mærke. Når først hybridisering finder sted, påføres en spænding chippen, hvilket får de hybridiserede prober til at frigive et signal.

HandyLab, en spinoff fra University of Michigan, arbejder på en mikrofluidik-baseret DNA-chip, som de håber vil blive godkendt til klinisk brug. Ligesom Nanogen bruger HandyLab elektronisk signalering til at manipulere væskerne. Men i stedet for at udnytte den iboende negative ladning i selve DNA'et, eksperimenterer HandyLab med termisk pneumatik - elektrisk opvarmning af små luftlommer for at fremdrive væsken og derefter kemisk kontrollere flowet. HandyLab forudsiger kliniske forsøg med sit produkt i 2003.

Princeton, NJ-baserede Orchid Biosciences er ved at udvikle en biochip-platform bestående af et multi-tiered mikrofluidisk kredsløb til påvisning af genvarianter og mutationer. Orchid håber at inkorporere denne meget parallelle platform i deres produktlinje inden 2003.

skjule