(PhysOrg.com) - Snabbare sekvensering av DNA har en enorm potential för biologi och medicin, särskilt för personlig diagnos och anpassad behandling baserad på varje individs genomiska smink. För närvarande är dock sekvenseringsteknik förblir besvärlig och kostnadskrävande 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 för en sådan metod där ett enkelsträngat DNA-band trängs genom en kolnanorör, producerar spänningspikar 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 består av kolallotroper - olika arrangemang av kolatomer, uppvisar unika egenskaper hos styrka och elektrisk konduktivitet.

Traditionella metoder för att läsa det genetiska manuset, består av fyra nukleotidbaser, adenin, tymin, cytosin och guanin (märkt A, T, C, &G), brukar lita på att riva DNA -molekylen i hundratusentals bitar, läsa dessa förkortade avsnitt och slutligen, rekonstruera hela den 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. Företaget krävde cirka 11 års noggrann insats 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 som finns i vardera änden av nanopor, att få en jonisk ström att flöda genom längden på nanopores slutna kanal. I denna skala, passagen av till och med en enda molekyl genererar en detekterbar förändring i flödet av jonström genom poren. Denna ström förstärks och mäts sedan elektroniskt. Endast ganska nyligen har toppmoderna mikrotillverkningstekniker gjort det möjligt för forskare att konstruera nanoporer i skala för enskilda molekyler, öppnar många nya möjligheter för manipulering och forskning med en molekyl.

I den aktuella studien, enväggiga kolnanorör, 1-2 nm i diameter, användes för de ledande kanalerna. När en ström inducerades genom nanoröret, segment av enkelsträngat DNA (känt som oligomerer) bestående av antingen 60 eller 120 nukleotider, drogs in i öppningen av nanoröret och flyttades från anodssidan av nanoröret till utmatningssidan, på grund av den negativa laddningen som bärs av DNA -molekylen. Hastigheten för DNA -translokation är beroende av både nukleotidstrukturen och DNA -provets molekylvikt.

Kolnanorören odlades på en oxiderad kiselskiva. Resultaten tyder på att bland de framgångsrikt bildade nanorören - de helt öppnade och utan läckage längs deras längd - detekteras en kraftig ökad elektrisk aktivitet under processen med DNA -translokation. Ytterligare, vända elektrodernas förspänning gör att de nuvarande topparna försvinner; att återställa den ursprungliga förspänningen fick spikarna att dyka upp igen.

Lindsay betonar att den övergående strömmen pulserar, var och en innehåller ungefär 10x7 laddningar, representerar en enorm förstärkning av den translokerade laddningen. En teknik som kallas kvantitativ polymeraskedjereaktion (qPCR) användes för att verifiera att de specifika kolnanorören som visar 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 bestämma mekanismen för de onormalt stora jonströmmarna som detekterades i nanorören. Observation av strömspänningskurvor 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 jonisk konduktans kan ge ytterligare förfining i pågående ansträngningar att tillämpa nanopore -teknik för snabb DNA -sekvensering.

Kritisk till framgångsrik snabb sekvensering genom nanoporer är den exakta kontrollen av DNA -translokation. Förhoppningen är att genetisk läsning kan påskyndas avsevärt, samtidigt som det fortfarande ger tillräckligt med tid för DNA -baser att 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 en-patient-ett-genom-målet för personlig medicin skulle ge viktig diagnostisk information och hjälpa pionjär individualiserade behandlingar för ett brett spektrum av sjukdomar.