Snabbare sekvensering av DNA har en enorm potential för biologi och medicin, speciellt för personlig diagnos och skräddarsydd behandling baserad på varje individs genomiska makeup. För närvarande är dock sekvenseringsteknik förblir besvärlig och oöverkomlig för de flesta kliniska tillämpningar, även om detta kan förändras, tack vare en rad innovativa nya tekniker.

I det aktuella numret av Vetenskap , Stuart Lindsay, chef för Arizona State University's Center for Single Molecule Biophysics vid Biodesign Institute, tillsammans med sina kollegor, visar potentialen hos en sådan metod där ett enkelsträngat band av DNA träs genom ett kolnanorör, producerar spänningsspikar som ger information om passage av DNA-baser när de passerar genom röret - en process som kallas translokation.

Kolnanorör är mångsidiga, cylindriska strukturer som används inom nanoteknik, elektronik, optik och andra områden inom materialvetenskap. De är sammansatta av kolallotroper - olika arrangemang av kolatomer, uppvisar unika egenskaper vad gäller styrka och elektrisk ledningsförmåga.

Traditionella metoder för att läsa det genetiska manuset, består av fyra nukleotidbaser, adenin, tymin, cytosin och guanin (märkt A, T, C, &G), förlitar sig vanligtvis på att strimla DNA-molekylen i hundratusentals bitar, läsa dessa förkortade avsnitt och slutligen, rekonstruera den fullständiga genetiska sekvensen med hjälp av massiv datorkraft. För ett decennium sedan, det första mänskliga genomet - en sekvens med över 3 miljarder kemiska baspar - avkodades framgångsrikt, i en biologisk tour de force. Åtagandet krävde cirka 11 års mödosam ansträngning till en kostnad av 1 miljard dollar. Förutom arbetskraften i befintliga tekniker, noggrannheten äventyras, med fel som ackumuleras i proportion till antalet fragment som ska läsas.

En ny strategi innebär användning av nanoporer - öppningar med molekylär diameter som förbinder två vätskebehållare. En konstant spänning kan appliceras mellan två elektroder placerade i vardera änden av nanoporen, inducerar en jonström att flyta genom längden av nanoporens inneslutna kanal. I denna skala, passagen av till och med en enda molekyl genererar en detekterbar förändring i jonströmflödet genom poren. Denna ström förstärks sedan elektroniskt och mäts. Endast ganska nyligen har toppmoderna mikrotillverkningstekniker gjort det möjligt för forskare att konstruera nanoporer i skala för enskilda molekyler, öppnar upp för många nya möjligheter för manipulation och forskning med en enda molekyl.

I den aktuella studien, enkelväggiga kolnanorör, 1-2 nm i diameter, användes för de ledande kanalerna. När en ström inducerades genom nanoröret, segment av enkelsträngat DNA (känd som oligomerer) som består av antingen 60 eller 120 nukleotider, drogs in i öppningen av nanoröret och förflyttades från anodsidan av nanoröret till utgångskatodsidan, på grund av den negativa laddningen som bärs av DNA-molekylen. Hastigheten för DNA -translokation är beroende av både nukleotidstrukturen och molekylvikten för DNA -provet.

Kolnanorören odlades på en oxiderad kiselskiva. Resultaten indikerar att bland de framgångsrikt bildade nanorören - de helt öppnade och utan läckage längs deras längd - upptäcks en kraftig ökning i elektrisk aktivitet under processen med DNA-translokation. Ytterligare, vända elektrodernas förspänning gör att de nuvarande topparna försvinner; återställandet av den ursprungliga förspänningen gjorde att spikarna dök upp igen.

Lindsay betonar att den transienta strömmen pulserar, var och en innehåller ungefär 10x7 avgifter, representerar en enorm förstärkning av den translokerade laddningen. En teknik känd som kvantitativ polymeraskedjereaktion (qPCR) användes för att verifiera att de specifika kolnanorören uppvisar dessa onormalt skarpa strömspikar - cirka 20 procent av det totala provet, var verkligen de genom vilka DNA-translokation hade skett.

Teamet genomförde molekylära simuleringar för att försöka fastställa mekanismen för de anomalt stora jonströmmar som detekteras i nanorören. Observation av ström-spänningskurvor registrerade vid varierande jonkoncentrationer visade att jonrörelse genom några av rören är mycket ovanlig, men att förstå den exakta mekanismen genom vilken DNA -translokation ger upphov till de observerade strömspikarna kommer att kräva ytterligare modellering. Ändå, den karakteristiska elektriska signalen för DNA-translokation genom rör med hög jonkonduktans kan ge en ytterligare förfining i pågående ansträngningar att tillämpa nanopore-teknologi för snabb DNA-sekvensering.

Avgörande för framgångsrik snabb sekvensering genom nanoporer är den exakta kontrollen av DNA-translokation. Förhoppningen är att genetisk läsning kan påskyndas avsevärt, samtidigt som det ger tillräckligt med tid för att DNA-baser ska kunna identifieras av elektriska strömspår. Kolnanorör ger ett attraktivt alternativ, gör kontrollen av nanoporeegenskaper enklare och mer tillförlitlig.

Om processen kan fulländas, Lindsay betonar, DNA-sekvensering kan utföras tusentals gånger snabbare än med befintliga metoder, till en bråkdel av kostnaden. Att förverkliga målet för en patient-ett-genom med personlig medicin skulle ge viktig diagnostisk information och hjälpa banbrytande individualiserade behandlingar för ett brett spektrum av sjukdomar.