Strukturer som sätter ljus på ljus avslöjar små mängder DNA med 50 gånger bättre känslighet än de bästa nuvarande metoderna, ett samarbete mellan University of Michigan och Jiangnan University i Kina har visat.

Mycket känslig upptäckt av DNA kan hjälpa till att diagnostisera patienter, lösa brott och identifiera ursprunget till biologiska föroreningar såsom en patogen i en vattenförsörjning.

"Det spelar egentligen ingen roll varifrån mål -DNA kommer, "sade Nicholas Kotov, Joseph B. och Florence V. Cejka professor i kemiteknik vid U-M. "För att upptäcka ett specifikt DNA, vi behöver bara veta en liten del av dess sekvens. "

Nuvarande DNA -analysmetoder är beroende av att kopiera segment av en DNA -sträng. Processen packar upp den dubbla spiralen och sedan kort, laboratorietillverkade "primer" DNA-strängar fäster vid varje halva av det ursprungliga DNA:t. Dessa primers startar kopieringsprocessen, med hjälp av det uppackade DNA:t som en mall. Riktade DNA -segment kan replikeras på detta sätt, fördubblas varje cykel. Om tillräckligt med DNA produceras innan kopieringsfel blir ett stort problem, då kan ytterligare analys visa om provet matchar en misstänkt, till exempel.

Men om primrarna var mycket selektiva för den misstänkta DNA -sekvensen, då kunde en matchning bestämmas genom att helt enkelt upptäcka om DNA:t hade kopierat eller inte. Studier visade att små mängder DNA kunde observeras när sfäriska guldnanopartiklar fästes på primrarna. Om DNA matchade misstankar, strängar av partiklar bundna med DNA skulle bildas i replikationsprocessen. Nanopartikellösningen skulle ändra färg från rött till blått, på grund av hur partiklarnas strängar interagerar med ljus.

"Imponerande detektionsgränser uppnåddes för korta DNA med nanopartiklar; inte för långt DNA, Sa Kotov.

Problemet, han förklarade, är att om partiklarna är längre ifrån varandra än några nanometer, eller miljondelar av en millimeter, "de interagerar inte starkt och den blå färgen händer inte." Längre strängar behövs för att skilja mellan arter och individer med större noggrannhet.

"Om trådarna är för korta, du kan blanda ihop en mördares DNA med kompisens hund - eller en signatur av malign magcancer med en bit kycklingburrito, Sa Kotov.

Han och hans partner Chuanlai Xu, professor i livsmedelsvetenskap och teknik vid Jiangnan University i Kina, ledde ett försök att se om en mer subtil optisk förändring skulle hålla upp till längre avstånd.

Istället för att använda sfäriska nanopartiklar, laget började med nanoroder, formad som små Mike och Ike godis, cirka 62 nanometer lång och 22 nanometer i diameter. De fäst primer -DNA:t på sidorna av dessa.

När nanoroder ställer upp, de tenderar att felriktas med cirka 10 grader. Efter några rundor med kopiering, guld- och DNA -strukturerna liknade vridna repstegar. Ljus som passerar genom spiralen av gyllene ekrar reagerade genom att rotera.

"Ljuset kan roteras även när nanoroderna är långt ifrån varandra, "Kotov sa." Detta ger våra metoder en enorm fördel i känslighet för långa DNA -strängar. "

Rotationen sker eftersom ljus består av elektriska och magnetiska vågor som rör sig i takt, och elektriska och magnetiska fält utövar krafter på laddade partiklar som har fri rörlighet, som elektroner i metaller. Elektronerna i guld svarar mycket bra på frekvensen av synliga ljusvågor, så de börjar röra sig fram och tillbaka i guldet, synkroniseras med ljuset. Denna effekt är en tvåväg:de rörliga elektronerna i guldet kan också påverka ljusvågorna.

Kotov jämför ljuset med ett rep med krusningar som löper genom det.

"Tänk dig nu att luften runt repet lättare kan röra sig längs vissa riktningar, Sa Kotov.

För ljus som passerar genom guldnanoroderna, det är lättast om den elektriska vågen rör sig upp och ner längs nanorodernas längd, så ljuset roterar när det rör sig från nanorod till nanorod och fortsätter att vrida sig efter att det lämnat strukturen. Och beroende på om ljuset börjar rotera medsols eller moturs, det känns vridningen från nanoroderna mest vid olika våglängder.

"För analytiska ändamål, det här är en present, Sa Kotov.

De två topparna i mängden vridning för medurs och moturs ljus kan läggas ihop, vilket ger en starkare signal och gör att metoden kan identifiera en matchning med mindre mängder DNA.

"The strength of the rotation reaches maximum when the gap between nanorods is 20 nanometers, which is exactly what we need for the detection of long, selective and species-specific DNA strands, " Kotov said. "The calculations presented show that we can potentially increase the sensitivity even more in the future and to even longer DNAs."