211service.com
Hurtiglæsende DNA tommer tættere på
For at DNA-sekventering kan blive en rutinemæssig del af patientbehandlingen, skal den blive billigere og hurtigere. Et firma ringede Oxford Nanopore håber at nedbringe både omkostningerne og den tid, der kræves til sekventering ved hjælp af en teknik kaldet nanopore-sekventering. Virksomheden har nu lavet en vigtig demonstration af sin teknologi: For første gang var forskere i stand til at identificere DNA-baser med næsten total nøjagtighed. Ud over at identificere de fire baser af DNA, kan teknikken også påvise en modificeret version af en af baserne, som kan være ansvarlig for at forårsage kræft og andre sygdomme.
Hastighedslæser : En DNA-base (rød) passerer gennem en proteintunnel foret med en sukkerart (blå og grønne bobler). Sukkeret sænker DNA'et, når det bevæger sig gennem poren, hvilket giver tid til at identificere basen.
Den nye teknik giver mulighed for direkte identifikation af baser uden de fluorescerende etiketter og billedbehandlingsudstyr, der bruges til konventionel højhastighedssekventering. Direkte aflæsning af DNA skal ikke kun være hurtigere og billigere, men det skal også gøre det muligt at udføre mere komplekse analyser, siger Jeffrey Schloss, programdirektør for teknologiudvikling i U.S. National Human Genome Research Institute . Oxford Nanopore-systemets evne til at detektere de DNA-modifikationer, der er katalogiseret af et spirende felt kaldet epigenetik, er særligt spændende, siger Schloss. For eksempel har tilføjelsen af organiske molekyler kaldet methylgrupper til en af baserne vist sig at spille en rolle i udviklingen af sygdomme som kræft. Men det er besværligt at opdage disse modifikationer ved hjælp af konventionelle sekventeringsmetoder, så de fulde effekter og hvorfor de sker, er stadig ikke godt forstået.
Oxford Nanopore-forskere har endnu ikke påvist, at de kan behandle komplette DNA-sekvenser ved hjælp af deres system. De nye resultater, der blev offentliggjort i denne uge i Natur nanoteknologi , er et vigtigt proof of concept for nanopore-sekventering. De har vist gennemførligheden af alle trinene, siger Schloss.
Systemet, som virksomheden brugte til at identificere DNA-baser, er et tunnellignende protein indlejret i en membran, der ligner meget den, der omgiver biologiske celler. Strømmen af ioner over membranen og gennem poren skaber en strøm, der kan måles ved hjælp af en elektrode svarende til dem, der bruges til at studere neuroner i laboratoriet. Ved at anvende et stærkt elektrisk potentiale over membranen driver forskere DNA-baser gennem poren. Når hver base passerer igennem, modificerer den strømmen, der flyder over poren på en karakteristisk måde.
Nøglen til at få metoden til at fungere er at kontrollere strømmen af baserne gennem proteinporen. DNA-baser er for små til at blive identificeret på egen hånd: de ville flyve igennem, siger James Clarke, en videnskabsmand ved Oxford Nanopore. Så et sukkermolekyle i åbningen fylder det op, så DNA'et ikke glider for hurtigt igennem. I tidligere versioner af nanopore-systemet var dette sukkermolekyle ret løst forbundet med poren og bevægede sig ind og ud. Virksomhedsforskere ledet af grundlæggeren Hagan Bayley , som også er professor i kemi ved University of Oxford, gjorde det muligt at aflæse DNA-baser efter hinanden ved kemisk at binde sukkeret til indersiden af nanoporen.
Oxford Nanopore kan identificere baser, men endnu ikke i rækkefølge. Systemet, som det har demonstreret, involverer at føre hakket DNA, ikke hele strenge, gennem nanoporen. Virksomheden arbejder nu på et setup til at fodre lange DNA-strenge gennem poren en base ad gangen. For at gøre dette skal forskerne knytte et enzym kaldet en exonuklease til nanoporen. De håber, at baser vil blive skåret af en ad gangen af enzymet og vil passere gennem poren til den anden side.
Der er nogle spørgsmål [om] hvad der vil ske, når du sætter lange DNA-strenge foran nanoporen, siger Schloss. Vil det danne en håbløs knude?
Dette er blot en af flere ukendte forhold, som forskere står over for. For at gøre teknologien virkelig skalerbar og kommercielt levedygtig, skal porerne grupperes i store arrays, og virksomheden bliver nødt til at udvikle en mindre kompliceret måde at læse de elektriske signaler fra porerne på. Oxford Nanopore siger, at det i øjeblikket arbejder på begge disse problemer.
En potentiel faldgrube ved Oxfords nanopore-exonuklease-tilgang, siger Schloss, er, at DNA'et vil blive ødelagt, efterhånden som det er blevet læst, hvilket gør det umuligt at gensekvensere en streng for at kontrollere for fejl.
Der er dog andre tilgange til nanopore-sekventering, der er mindre ødelæggende. David Deamer , emeritus professor i kemi ved University of California, Santa Cruz, som først kom med konceptet nanopore-sekventering i 1990'erne og er videnskabelig rådgiver for Oxford Nanopore, påpeger, at dette ikke er den første demonstration af et nanopore-system, der kan identificere alle DNA-baser. Sidste år blev forskere ledet af Reza Ghadiri på Scripps Institute, i La Jolla, CA, sekventerede en 10-baser lang DNA-streng ved hjælp af en anden nanopore-teknik. Strømmen af DNA gennem Scripps-systemet, som er baseret på Deamers originale koncept, styres af et enzym, der fungerer som en skralde, der flytter molekylet fremad én base ad gangen. Men dette system er alt for langsomt og går frem med en hastighed på én base hvert 10. minut, og Scripps-forskerne arbejder på at fremskynde det.
Oxford Nanopore har ikke lagt alle sine æg i én kurv. Det har licenseret teknologi til adskillige nanopore-sekventeringsmetoder, inklusive Deamer's og en anden, der bruger en kunstig nanopore: en siliciumwafer udstanset med huller i nanoskala og foret med kulstofnanorør, hvis ledningsevne ændres, når DNA'et passerer.
En af disse tilgange vil få et gennembrud og vil være i stand til at sekvensere i en hastighed, der er hurtigere og billigere, end vi gør nu, forudser Deamer. Hverken forskerne ved Oxford Nanopore eller de konkurrerende laboratorier er villige til at spekulere i, hvornår dette vil ske, eller hvad sådan et system vil koste pr. genom. Men Schloss siger, at det er muligt, at en af grupperne vil opfylde National Human Genome Research Institutes oprindelige målår 2014 for vellykket nanopore-sekventering.