211service.com
Er det miltbrand eller bare hvidt pulver?
Når en patient bliver indlagt på hospitalet med tegn på en farlig systemisk bakteriel infektion, eller når en postmedarbejder finder hvidt pulver i en mistænkeligt udseende kuvert, er evnen til hurtigt at identificere potentielle patogener vigtig. For at opnå det er et hold af Massachusetts-forskere ved at udvikle en mikrofluidisk chip, der udfører hurtig DNA-sekventering for hurtigt at identificere bakterier. Målet er en enhed, der er enkel nok til at bruge i lufthavns- og anden sikkerhedsscreening.
En mikrofluidisk enhed, der udvikles af U.S. Genomics og Draper Laboratory, scanner DNA-strenge for hurtigt at identificere bakterier i en prøve.
For at identificere bakterierne i en blodprøve eller i en bygnings ventilationssystem, skal forskere eller klinikere normalt starte med at lokke den til at vokse i kultur i laboratoriet. Dette tager omkring 14 til 48 timer. I mellemtiden kan en patient med en lægemiddelresistent infektion få det forkerte antibiotikum, eller akutlæge kan gå glip af tegnene på et potentielt bioterrorangreb.
Forskere ved U.S. Genomics , i Woburn, MA og Draper Laboratory , i Cambridge, MA, arbejder sammen om at forbedre teknologi, der muliggør sekventering og identifikation af bakterier og andre patogener uden dyrkning. Forskerne læser ikke hver eneste base på en DNA-streng, men de leder efter karakteristiske mønstre for gentagelse af en enkelt, meget kort sekvens. Der er kun fire elementer til den genetiske kode, så seks til otte baselængder som GTAGCC forekommer mange gange inden for alle genomer. Men i hver art vil en sådan sekvens forekomme i et unikt mønster. Selv forskellige stammer af den samme slags bakterier vil have unikke identifikationsmønstre for en given kort sekvens.
U.S. Genomics har bygget en database over disse mønstre, som den kalder stregkoder, for mange bakteriearter og -stammer. Fordi arbejdet bliver finansieret af det amerikanske departement for indenrigssikkerhed, vil virksomheden ikke oplyse, hvor mange patogener der er i dens database, eller hvad de er. Personaleforsker Jeff Krogmeier siger, at den offentlige myndighed er interesseret i et instrument, der kan sidde i en lufthavn, et indkøbscenter eller et andet offentligt område og løbende overvåge luften. Dens kompakte analysechip er et skridt i denne retning, idet den kan identificere bakterier baseret på analyse af lange DNA-strenge, som ikke behøver at blive behandlet omfattende. Vi mangler bare et par molekyler [af DNA], siger Krogmeier.
Først skal DNA ekstraheres fra prøven og mærkes med et fluorescerende tag, der kun hæfter til steder langs strengen, hvor den korte sekvens af interesse forekommer. (U.S. Genomics arbejder på at forenkle dette trin, som i øjeblikket skal udføres i laboratoriet.) Enkelte lange DNA-molekyler fødes derefter ind i en mikrofluidisk chip, hvor hydrostatisk tryk trækker dem med konstant hastighed gennem en smal kanal. Når det mærkede DNA strømmer gennem kanalen, passerer det over en meget snævert fokuseret lysstråle. Når DNA'et passerer over strålen, fluorescerer mærkerne. Lysglimt fra etiketterne registreres som en stregkode og sammenlignes med U.S. Genomics-databasen for at identificere den organisme, som DNA'et kom fra.
I den nuværende inkarnation af virksomhedens DNA-chips aflæses stregkodemønstrene med en opløsning på 0,5 mikrometer. Den version, der er udviklet af U.S. Genomics og Draper Laboratory, bruger en bølgeleder og nanoantenner til at fokusere lyset til en pletstørrelse, der er meget mindre end halvdelen af dets bølgelængde, hvilket giver langt højere opløsning og giver enheden mulighed for at læse kortere tråde med større nøjagtighed. Desuden er lyset fra disse antenner 10 gange så intenst, hvilket betyder et stærkere signal, siger Jonathan Bernstein, en Draper-forsker, der arbejder på projektet. Og at fokusere lyset med nanoantennerne i stedet for med en linse betyder, at chipsene er mere kompakte og robuste.
Krogmeier siger, at US Department of Homeland Security ikke kun er interesseret i at identificere patogener, men også i at identificere, om der er blevet pillet ved dem. En bioterrorist, der forsøger at lave miltbrand eller E coli mere dødelige eller lettere spredte ville ofte forsøge at gøre det ved at tilføje lange strækninger af DNA fra en anden organisme. U.S. Genomics-chippen, siger Krogmeier, ville være i stand til at opdage en sådan manipulation.
Bernstein siger, at de mikrofluidiske kanaler også kunne være nyttige til at se på molekyler udover DNA. Almindelige laboratorieteknikker som PCR, den proces, der bruges til at lave mange kopier af en enkelt DNA-streng, eksisterer simpelthen ikke til at studere RNA og proteiner; som følge heraf er de sværere at identificere og manipulere. Det meste af cellen er ikke DNA, siger Bernstein. Noget som den mikrofluidiske chip, han har udviklet til U.S. Genomics, siger han, kunne være meget nyttig til at studere andre biologiske molekyler.