Ett team av forskare från Arizona State Universitys Biodesign Institute och IBM:s T.J. Watson Research Center har utvecklat en prototyp av DNA-läsare som kan göra hela genomprofilering till en vardaglig praxis inom medicin.

"Vårt mål är att sätta billiga, enkla och kraftfulla enheter för diagnostik av DNA och proteiner på varje enskild läkarmottagning, sa Stuart Lindsay, en ASU-fysikprofessor och chef för Biodesigns Center for Single Molecule Biophysics. Sådan teknik kan hjälpa till att inleda en ålder av personlig medicin, där information från en individs fullständiga DNA- och proteinprofiler kan användas för att utforma behandlingar som är specifika för deras individuella makeup.

Sådan spelförändrande teknologi behövs för att göra genomsekvensering till verklighet. Det nuvarande hindret är att göra det för mindre än $1, 000, ett belopp som försäkringsbolagen är mer benägna att ge ersättning för.

I deras senaste forskningsgenombrott, laget skapade en liten, DNA-läsenhet tusen gånger mindre än bredden på ett enda människohår.

Enheten är tillräckligt känslig för att särskilja de individuella kemiska baserna av DNA (känd med deras förkortade bokstäver A, C, T eller G) när de pumpas förbi läshuvudet.

Proof-of-concept demonstrerades, genom att använda lösningar av de individuella DNA-baserna, som gav tydliga signaler som var tillräckligt känsliga för att detektera små mängder DNA (nanomolära koncentrationer), ännu bättre än dagens toppmoderna, så kallad nästa generations DNA-sekvenseringsteknologi.

Att göra solid-state-enheten är precis som att göra en smörgås, bara med ultrahögteknologiska halvledarverktyg som används för att skiva och stapla de atomära lagren av kött och ostar som slaktarens block. Hemligheten är att göra skivor och stapla lagren bara så, att förvandla den kemiska informationen i DNA:t till en förändring i den elektriska signalen.

Först, de gjorde en "smörgås" bestående av två metallelektroder åtskilda av ett två nanometer tjockt isolerande lager (en enda nanometer är 10, 000 gånger mindre än ett människohår), tillverkad med hjälp av en halvledarteknologi som kallas atomlagerdeposition.

Sedan skärs ett hål genom sandwichen:DNA-baser inuti hålet avläses när de passerar mellanrummet mellan metallskikten.

"Tekniken vi har utvecklat kan bara vara det första stora steget i att bygga en sekvenseringsenhet med en enda molekyl baserad på vanlig datorchipsteknik, sa Lindsay.

"Tidigare försök att göra tunnelövergångar för att läsa DNA hade en elektrod vänd mot en annan över ett litet mellanrum mellan elektroderna, och mellanrummen måste justeras för hand. Detta gjorde det omöjligt att använda datorchipstillverkningsmetoder för att tillverka enheter, sa Lindsay.

"Vår metod att definiera gapet med ett tunt lager av dielektriskt (isolerande) material mellan elektroderna och exponera detta gap genom att borra ett hål genom lagren är mycket lättare, sade han. Vad mer är, igenkänningstunneltekniken vi har utvecklat gör att vi kan göra ett relativt stort gap (av två nanometer) jämfört med de mycket mindre luckorna som tidigare krävdes för tunnelströmavläsning (som var mindre än en enda nanometer breda). Möjligheten att använda större luckor för tunnling gör tillverkningen av enheten mycket lättare och ger DNA-molekyler utrymme att passera elektroderna."

Specifikt, när en ström passerar genom nanoporen, när DNA passerar igenom, det orsakar en topp i strömmen som är unik för varje kemisk bas (A, C, T eller G) i DNA-molekylen. Ytterligare några ändringar görs för att polera och avsluta tillverkningen av enheten.

Teamet stötte på avsevärd variation från enhet till enhet, så kalibrering kommer att behövas för att göra tekniken mer robust. Och det sista stora steget - att minska diametern på hålet genom enheten till den för en enda DNA-molekyl - har ännu inte tagits.

Men totalt sett, forskargruppen har utvecklat en skalbar tillverkningsprocess för att göra en enhet som kan fungera tillförlitligt i timmar åt gången, identifiera var och en av de kemiska DNA-baserna medan de strömmar genom gapet på två nanometer.

Forskargruppen arbetar också med att modifiera tekniken för att läsa andra enstaka molekyler, som skulle kunna användas i en viktig teknologi för läkemedelsutveckling.

Den senaste utvecklingen kan också ge stora affärer för ASU. Lindsay, kallad en "serieentreprenör" av media, har en ny spinout-satsning, kallas Recognition Analytix, som hoppas kunna följa framgången för Molecular Imaging Corp, ett liknande instrumentföretag som han var med och grundade 1993, och såldes till Agilent Technologies 2005.

Forskningen finansierades av National Institutes of Healths National Human Genome Research Institute, Roche, och publiceras i tidskriften ACS Nano .