Forskare vid Arizona State University har kommit med en ny twist i sina ansträngningar att utveckla ett snabbare och billigare sätt att läsa DNA -genetisk kod. De har utvecklat den första, mångsidig DNA -läsare som kan skilja mellan DNA:s fyra kärnkemiska komponenter - nyckeln till att låsa upp den vitala koden bakom mänsklig ärftlighet och hälsa.

Leds av ASU Regents professor Stuart Lindsay, chef för Biodesign Institute's Center for Single Molecule Biophysics, ASU -teamet är en av en handfull som har fått stimulansmedel för ett nationellt forskningsinitiativ för mänskligt genom, en del av National Institutes of Health, att göra DNA -genom -sekvensering lika utbredd som en rutinmässig medicinsk kontroll.

Det breda målet med detta "$ 1000 genom" -initiativ är att utveckla en nästa generations DNA-sekvenseringsteknik för att inleda en ålder av personlig medicin, där kunskap om en individs fullständiga, 3 miljarder lång kod för DNA-information, eller genom, kommer att möjliggöra ett mer skräddarsytt tillvägagångssätt för diagnos och behandling av sjukdomar. Med nuvarande teknik som tar nästan ett år att slutföra till en kostnad av flera hundratusentals dollar, färre än 20 individer på planeten har fått hela sitt genom att sekvensera hittills.

För att deras forskningsdröm ska bli verklighet, Lindsays team har tänkt sig att bygga en liten, nanoskala DNA -läsare som kan fungera som en snabbköpskanner, skilja mellan de fyra kemiska bokstäverna i DNA -genetisk kod, förkortas av A, G, C, och t, när de snabbt passerar läsaren.

Att göra så, de behövde utveckla den nanotekniska motsvarigheten till att trä en nålsöga. I detta fall, DNA:t skulle vara tråden som kunde kännas igen när det rörde sig förbi läsarens öga. Under de senaste åren har Lindsays team har gjort stadiga framsteg, och demonstrerade först förmågan att läsa individuella DNA -sekvenser 2008 - men detta tillvägagångssätt var begränsat eftersom de var tvungna att använda fyra separata läsare för att känna igen var och en av DNA -baserna. På senare tid, de demonstrerade förmågan att trä DNA -sekvenser genom det smala hålet i en grundläggande byggsten för nanoteknik, kolnanoröret.

Lindsays team förlitar sig på nanoteknologins ögon, skanningstunnel- (STM) och atomkraft- (ATM) mikroskop, att göra sina mått. Mikroskopen har en känslig elektrodspets som hålls mycket nära DNA -provet.

I sin senaste innovation, Lindsays team gjorde två elektroder, en i slutet av mikroskopproben, och en annan på ytan, som hade sina små ändar kemiskt modifierade för att attrahera och fånga DNA mellan ett gap som ett par kemiska pincetter. Klyftan mellan dessa funktionaliserade elektroder måste justeras för att hitta den kemiska bindningen, så att när en enda kemisk bas av DNA passerade genom en liten, 2,5 nanometer gap mellan två guldelektroder, den fastnar en stund vid elektroderna och en liten ökning av strömmen detekteras. Några mindre, och molekylerna skulle kunna binda i många konfigurationer, förvirrar avläsningen, några större och mindre baser skulle inte detekteras.

"Det vi gjorde var att begränsa antalet typer av bundna konfigurationer till bara en per DNA -bas, "sa Lindsay." Det fina med tillvägagångssättet är att alla fyra baserna bara passar 2,5 nanometer gapet, så det är en storlek passar alla, men bara så! "

I denna skala, som bara är några atomdiametrar breda, kvantfenomen är på spel där elektronerna faktiskt kan läcka från en elektrod till den andra, tunnlar genom DNA -baserna i processen.

Var och en av de kemiska baserna i DNA:s genetiska kod, förkortat A, C, T eller G, ger en unik elektrisk signatur när de passerar mellan gapet i elektroderna. Genom försök och fel, och lite lugn, de upptäckte att bara en enda kemisk modifiering av båda elektroderna kunde skilja mellan alla fyra DNA -baser.

"Vi har nu skapat en generisk DNA -sekvensläsare och är den första gruppen som rapporterar upptäckten av alla fyra DNA -baser i ett tunnelgap, "sa Lindsay." Också, kontrollexperimenten visar att det finns en viss (dålig) diskriminering med även nakna elektroder (kontrollexperimenten) och detta är i sig, en första också. "

"Vi blev ganska förvånade över att binda till bara elektroder eftersom, som många fysiker, vi hade alltid antagit att baserna bara skulle trilla igenom. Men faktiskt, någon ytkemist kommer att berätta att baserna har svaga kemiska interaktioner med metallytor. "

Nästa, Lindsays grupp arbetar hårt med att försöka anpassa läsaren till att arbeta med vattenbaserade lösningar, ett kritiskt praktiskt steg för DNA -sekvenseringstillämpningar. Också, laget skulle vilja kombinera läsarmöjligheterna med kolnanorörtekniken för att arbeta med att läsa korta sträckor av DNA.

Om processen kan fulländas, DNA -sekvensering kan utföras mycket snabbare än nuvarande teknik, och till en bråkdel av kostnaden. Först då kommer löftet om personlig medicin att nå en masspublik.