Forskare är ett steg närmare en revolution inom DNA-sekvensering, efter utvecklingen i ett Harvard-labb av en liten anordning utformad för att läsa de minimala elektriska förändringarna som uppstår när DNA-strängar passerar genom små hål - kallade nanoporer - i ett elektriskt laddat membran.

Som beskrivs i Naturens nanoteknik den 11 december, en forskargrupp ledd av Charles Lieber, Mark Hyman Jr. professor i kemi, har för första gången lyckats skapa en integrerad nanopordetektor, en utveckling som öppnar dörren till skapandet av enheter som kan använda grupper av miljontals mikroskopiska hål för att sekvensera DNA snabbt och billigt.

Beskrevs första gången för mer än 15 år sedan, nanopore-sekvensering mäter subtila elektriska strömförändringar som produceras när de fyra basmolekylerna som består av DNA passerar genom poren. Genom att läsa dessa ändringar, forskare kan effektivt sekvensera DNA.

Men att läsa dessa subtila förändringar i strömmen är långt ifrån lätt. En rad utmaningar – från hur man registrerar de små förändringarna i ström till hur man skalar upp sekvenseringsprocessen – innebar att processen aldrig har varit möjlig i stor skala. Lieber och hans team, dock, tror att de har hittat en enhetlig lösning på de flesta av dessa problem.

"Tills vi utvecklade vår detektor, det fanns inget sätt att lokalt mäta förändringarna i ström, " sa Lieber. ”Vår metod är idealisk eftersom den är extremt lokaliserad. Vi kan använda allt befintligt arbete som har gjorts på nanoporer, men med en lokal detektor är vi ett steg närmare att helt revolutionera sekvenseringen.”

Detektorn som utvecklats av Lieber och hans team växte fram från tidigare arbete med nanotrådar. Genom att använda de ultratunna ledningarna som en transistor i nanoskala, de kan mäta förändringarna i ström mer lokalt och exakt än någonsin tidigare.

"Nanotrådstransistorn mäter den elektriska potentialförändringen vid poren och förstärker effektivt signalen, " sa Lieber. "Förutom en större signal, som gör att vi kan läsa saker mycket snabbare. Det är viktigt eftersom DNA är så stort [att] genomströmningen för någon sekvenseringsmetod måste vara hög. I princip, denna detektor kan fungera vid gigahertz -frekvenser. ”

Den mycket lokaliserade mätningen öppnar också dörren till parallell sekvensering, som använder arrayer av miljontals porer för att påskynda sekvenseringsprocessen dramatiskt.

Förutom potentialen för att kraftigt förbättra sekvenseringshastigheten, den nya detektorn håller löftet att dramatiskt minska kostnaden för DNA -sekvensering, sa Ping Xie, en assistent vid Institutionen för kemi och kemisk biologi och medförfattare till uppsatsen som beskriver forskningen.

Nuvarande sekvenseringsmetoder börjar ofta med en process som kallas polymeraskedjereaktion, eller DNA-amplifiering, som kopierar en liten mängd DNA tusentals miljoner gånger, gör det lättare att sekvensera. Även om det är kritiskt viktigt för biologin, processen är dyr, kräver kemikalietillbehör och dyr laboratorieutrustning.

I framtiden, Xie sa, det kommer att vara möjligt att bygga nanopore-sekvenseringstekniken på ett kiselchip, tillåter läkare, forskare, eller till och med den genomsnittliga personen att använda DNA-sekvensering som ett diagnostiskt verktyg.

Genombrottet av Liebers team kan snart göra övergången från labb till kommersiell produkt. Harvard Office of Technology Development arbetar med en strategi för att kommersialisera tekniken på lämpligt sätt, inklusive licensiering till ett företag som planerar att införliva det i sin DNA-sekvenseringsplattform.

"Just nu, vi är begränsade i vår förmåga att utföra DNA-sekvensering, ”Sa Xie. "Den nuvarande sekvenseringstekniken är där datorer fanns på 50- och 60-talen. Det kräver mycket utrustning och är väldigt dyrt. Men bara 50 år senare, datorer finns överallt, även i gratulationskort. Vår detektor öppnar dörren för att göra en blodtagning och omedelbart veta vad en patient är infekterad med, och mycket snabbt fatta behandlingsbeslut."

Den här historien är publicerad med tillstånd av Harvard Gazette, Harvarduniversitetets officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.