Ett team av forskare under ledning av Virginia Commonwealth University -fysikern Jason Reed, Ph.D., har utvecklat ny nanomappningsteknik som kan förändra hur sjukdomsframkallande genetiska mutationer diagnostiseras och upptäcks. Beskriven i en studie som publicerades idag i tidskriften Naturkommunikation , detta nya tillvägagångssätt använder höghastighets atomkraftmikroskopi (AFM) kombinerat med en CRISPR-baserad kemisk streckkodsteknik för att kartlägga DNA nästan lika exakt som DNA-sekvensering medan stora delar av genomet bearbetas i mycket snabbare takt. Dessutom kan tekniken drivas av delar som finns i din DVD-spelare.

Det mänskliga genomet består av miljarder DNA -baspar. Unraveled, den sträcker sig till en längd av nästan sex fot lång. När celler delar sig, de måste göra en kopia av sitt DNA för den nya cellen. Dock, ibland kopieras olika delar av DNA:t fel eller klistras ihop på fel plats, som leder till genetiska mutationer som orsakar sjukdomar som cancer. DNA -sekvensering är så exakt att den kan analysera enskilda baspar av DNA. Men för att analysera stora delar av genomet för att hitta genetiska mutationer, tekniker måste bestämma miljontals små sekvenser och sedan koppla ihop dem med datorprogramvara. I kontrast, biomedicinsk avbildningsteknik såsom fluorescens in situ hybridisering (FISH) kan endast analysera DNA med en upplösning på flera hundra tusen baspar.

Reeds nya höghastighets AFM-metod kan kartlägga DNA till en upplösning på tiotals baspar samtidigt som det skapar bilder upp till en miljon baspar i storlek. Och det gör det med en bråkdel av mängden prov som krävs för DNA -sekvensering.

"DNA -sekvensering är ett kraftfullt verktyg, men det är fortfarande ganska dyrt och har flera tekniska och funktionella begränsningar som gör det svårt att kartlägga stora delar av genomet effektivt och exakt, "säger Jason Reed, Ph.D., huvudutredare på studien. Reed är medlem i forskningsprogrammet Cancer Molecular Genetics vid VCU Massey Cancer Center och docent vid Institutionen för fysik vid VCU College of Humanities and Sciences. "Vår strategi överbryggar klyftan mellan DNA-sekvensering och andra fysiska kartläggningstekniker som saknar upplösning. Den kan användas som en fristående metod eller komplettera DNA-sekvensering genom att minska komplexitet och fel när man sammanfogar de små genombitarna som analyserats under sekvensprocess. "

IBM -forskare skapade rubriker 1989 när de utvecklade AFM -teknik och använde en relaterad teknik för att ordna om molekyler på atomnivå för att stava ut "IBM". AFM uppnår denna detaljnivå genom att använda en mikroskopisk penna - liknande en nål på en skivspelare - som knappt kommer i kontakt med ytan på det material som studeras. Interaktionen mellan pennan och molekylerna skapar bilden. Dock, traditionell AFM är för långsam för medicinska tillämpningar och därför används den främst av ingenjörer inom materialvetenskap.

"Vår enhet fungerar på samma sätt som AFM men vi flyttar provet förbi pennan med en mycket större hastighet och använder optiska instrument för att upptäcka interaktionen mellan pennan och molekylerna. Vi kan uppnå samma detaljnivå som traditionell AFM men kan bearbeta material mer än tusen gånger snabbare, "säger Reed, vars team bevisat att tekniken kan integreras med hjälp av optisk utrustning som finns i DVD -spelare. "Höghastighets-AFM är idealiskt lämpad för vissa medicinska tillämpningar eftersom det kan bearbeta material snabbt och ge hundratals gånger mer upplösning än jämförbara avbildningsmetoder."

Att öka AFM -hastigheten var bara ett hinder Reed och hans kollegor var tvungna att övervinna. För att faktiskt kunna identifiera genetiska mutationer i DNA, de var tvungna att utveckla ett sätt att placera markörer eller etiketter på DNA -molekylernas yta så att de kunde känna igen mönster och oegentligheter. En genial kemisk streckkodslösning utvecklades med hjälp av en form av CRISPR -teknik.

CRISPR har gjort många rubriker nyligen när det gäller genredigering. CRISPR är ett enzym som forskare har kunnat "programmera" med mål -RNA för att klippa DNA på exakta platser som cellen sedan reparerar på egen hand. Reeds team förändrade de kemiska reaktionsförhållandena för CRISPR -enzymet så att det bara fastnar vid DNA:t och inte faktiskt skär det.

"Eftersom CRISPR -enzymet är ett protein som är fysiskt större än DNA -molekylen, det är perfekt för denna streckkodningsapplikation, "säger Reed." Vi blev förvånade över att upptäcka att denna metod är nästan 90 procent effektiv vid bindning till DNA -molekylerna. Och eftersom det är lätt att se CRISPR -proteinerna, du kan upptäcka genetiska mutationer bland mönstren i DNA. "

För att demonstrera teknikens effektivitet, forskarna kartlade genetiska translokationer som finns i lymfkörtelbiopsier hos lymfompatienter. Translokationer uppstår när en del av DNA:t kopieras och klistras in på fel plats i genomet. De är särskilt vanliga vid blodcancer som lymfom men förekommer även i andra cancerformer.

Även om det finns många möjliga användningsområden för denna teknik, Reed och hans team fokuserar på medicinska tillämpningar. De utvecklar för närvarande programvara baserad på befintliga algoritmer som kan analysera mönster i delar av DNA upp till och över en miljon baspar i storlek. När den är klar, Det skulle inte vara svårt att föreställa sig detta instrument i skoskartong i patologilaboratorier som hjälper till att diagnostisera och behandla sjukdomar kopplade till genetiska mutationer.