DNA-amplifiering - en molekylär "fotokopieringsteknik" där genetiskt material replikeras - har många tillämpningar inom vetenskaplig forskning, kriminalteknik, och medicinska laboratorier. Det är användbart för att upptäcka och identifiera vissa former av cancer och virussjukdomar, och har ett löfte om att behandla dessa sjukdomar i framtiden.

DNA-amplifieringsprocessen kräver för närvarande termisk cykling över ett brett spektrum av höga temperaturer, från 48°C till 95°C (118°F till 203°F). Som ett resultat, kvaliteten på biologiska prover som bearbetas är ofta äventyras. Ett team av japanska forskare har nu utvecklat en metod för att amplifiera DNA vid kroppstemperatur i konstgjorda celler som liknar människors.

Deras resultat publicerades den 9 juli, 2019 i Kemisk kommunikation .

DNA-amplifiering används i stor utsträckning inom molekylärbiologisk forskning för DNA-sekvensering för att bestämma den exakta strukturen av nukleotider som utgör en organisms genetiska material, samt för DNA-kloning och studier relaterade till genuttryck. Det används också för att analysera DNA som samlats in från gamla prover. Rättsmedicinska tillämpningar inkluderar genetiska fingeravtryck, en teknik som ofta används för att inkriminera eller rättfärdiga misstänkta i en brottsutredning, att identifiera kroppen av en avliden person, eller för föräldra-/faderskapstester för att bekräfta de biologiska föräldrarna till ett barn. Medicinska tillämpningar av DNA-replikation inkluderar upptäckt och identifiering av flera typer av cancer, samt infektionssjukdomar, inklusive humant immunbristvirus (HIV) – som kan vara notoriskt svårt att upptäcka.

För närvarande, tekniken polymeraskedjereaktion (PCR) används vanligtvis för att amplifiera ett DNA-segment. Under PCR-processen, DNA-provet värms upprepade gånger så att det separeras i två enkla DNA-strängar. Med hjälp av en enzymprimer, varje ny molekyl består nu av en gammal DNA-sträng tillsammans med en ny DNA-sträng för att bilda dubbelhelixen.

Även om amplifiering av DNA har uppnåtts i konstgjorda celler med PCR-metoden, de repetitiva cyklerna över ett högt temperaturintervall skadar ofta de känsliga molekylerna som utgör det genetiska provet. Isotermisk förstärkning, som möjliggör snabb amplifiering av specifika DNA-molekyler vid en lägre temperatur som förblir konstant, skulle kunna lösa detta problem. Istället för PCR i lösning, denna metod använder inkapslat molekylärt verktyg utformat för att repetera kopiera och släppa ett enkelsträngat DNA med en sekvens av syntetiskt DNA som speglar den ursprungliga strängen - en process som kallas DNA-kretsamplifiering.

"I vår studie, konstgjorda celler som amplifierar DNA över 5000 gånger som svar på yttre stimuli vid kroppstemperatur skapades, sa Shinichiro Nomura, en docent vid Tekniska Högskolan, Tohoku University i Japan, och medförfattare till studien.

Eftersom detta fungerar vid kroppstemperatur, "i framtiden, det kommer att göra det möjligt för forskare att utveckla konstgjorda celler och molekylära robotar som kommer att kunna diagnostisera cancerceller och ta hand om celler genom att detektera små mängder signalmolekyler in situ i kroppen, sa Nomura.

Dessutom, tidpunkten vid vilken förstärkning sker kan artificiellt triggas och regleras med hjälp av ljus, en process som kallas fotostimulering. Fotoutlöst DNA-amplifiering är spännande eftersom det skulle göra det möjligt för forskare att producera och montera molekylära nanostrukturer i konstgjorda celler med finjusterad precision över var och när de aktiveras i cellen. Dessa konstgjorda molekylära nanostrukturer kan i huvudsak fungera som molekylära robotar som kan upptäcka och bekämpa sjukdomar inifrån cellen.

Enligt Nomura, nästa steg inkluderar utveckling av kontrollsystem i artificiella celler med användning av amplifierade DNA, och slutligen upptäckten av signalmolekyler som produceras i cancerceller.

I levande organismer, signalmolekyler spelar en viktig roll i cellulära kommunikationsprocesser som styr och koordinerar cellulära aktiviteter och handlingar, inklusive cellutveckling, vävnadsreparation och immunsvar mot sjukdom. Eventuella fel under cellsignaleringsprocesser kan resultera i sjukdomar som diabetes, cancer, och autoimmuna sjukdomar. Genom att förstå cellsignalering och kunna detektera signalmolekyler och känna igen fel i dessa kommunikationssignaler, läkare kan kanske identifiera och behandla sjukdomar mer effektivt.