EPFL-forskare har utvecklat en metod som förbättrar noggrannheten för DNA-sekvensering upp till tusen gånger. Metoden, som använder nanoporer för att läsa individuella nukleotider, banar väg för bättre – och billigare – DNA-sekvensering.

DNA-sekvensering är en teknik som kan bestämma exakt sekvens av en DNA-molekyl. Ett av de mest kritiska biologiska och medicinska verktygen som finns tillgängliga idag, det ligger i kärnan av genomanalys. Läser den exakta sammansättningen av gener, forskare kan upptäcka mutationer, eller till och med identifiera olika organismer. En kraftfull DNA-sekvenseringsmetod använder små, porer i nanostorlek som läser av DNA när det passerar igenom. Dock, "nanoporsekvensering" är benägen till hög inexakthet eftersom DNA vanligtvis passerar mycket snabbt. EPFL-forskare har nu upptäckt en trögflytande vätska som saktar ner processen upp till tusen gånger, avsevärt förbättra metodens upplösning och noggrannhet. Genombrottet publiceras i Naturens nanoteknik .

Läser för snabbt

DNA är en lång molekyl som består av fyra upprepade olika byggstenar. Dessa kallas "nukleotider" och är uppträdda i olika kombinationer som innehåller cellens genetiska information, såsom gener. Väsentligen, de fyra nukleotiderna utgör allt genetiskt språk. DNA-sekvensering försöker dechiffrera detta språk, bryta ner det till enskilda bokstäver.

I nanopore-sekvensering, DNA passerar genom en liten por i ett membran, ungefär som en tråd går genom en nål. Poren innehåller också en elektrisk ström. När var och en av de fyra nukleotiderna passerar genom poren, de blockerar strömmen på individuella sätt som kan användas för att identifiera dem. Även om det är kraftfullt, metoden lider av hög hastighet:DNA går igenom porerna för snabbt för att kunna läsas med tillräcklig noggrannhet.

Sakta ner saker

Laboratoriet för Aleksandra Radenovic vid EPFL:s Institute of Bioengineering har nu övervunnit problemet med hastighet genom att använda en tjock, trögflytande vätska som bromsar passagen av DNA två till tre storleksordningar. Som ett resultat, sekvenseringsnoggrannheten förbättras ner till enstaka nukleotider.

Forskningen utfördes av Jiandong Feng och Ke Liu, arbetar med kollegor i Andras Kis labb på EPFL. De två forskarna utvecklade en film gjord av molybdendisulfid (MoS2), endast 0,7 nm i tjocklek. Detta är redan en innovation jämfört med försök inom området som använder grafen:DNA är en ganska klibbig molekyl och MoS2 är betydligt mindre vidhäftande än grafen. Teamet skapade sedan en nanopor på membranet, nästan 3 nm bred.

Nästa steg var att lösa upp DNA i en tjock vätska som innehöll laddade joner och vars molekylära struktur kan finjusteras för att ändra dess tjocklek, eller "viskositetsgradient". Vätskan tillhör klassen "rumstemperaturjoniska vätskor", som i princip är salter lösta i en lösning. EPFL-forskarna utnyttjade vätskans inställningsförmåga för att få den till en idealisk viskositetsgradient - tillräckligt för att sakta ner DNA.

Till sist, teamet testade sitt system genom att skicka kända nukleotider, löst i vätskan, genom nanoporen flera gånger. Detta gjorde det möjligt för dem att ta en genomsnittlig avläsning för var och en av de fyra nukleotiderna, som kan användas för att identifiera dem senare.

Även om det fortfarande är i ett teststadium, teamet siktar på att fortsätta sitt arbete genom att testa hela DNA-strängar. "Vi söker möjligheter att kommersialisera denna teknik, som är lovande för sekvensering med nanoporer i fast tillstånd, säger Jiandong Feng.

Forskarna förutspår också att användning av avancerad elektronik och kontroll av vätskans viskositetsgradient kan optimera systemet ytterligare. Genom att kombinera joniska vätskor med nanoporer på molybdendisulfid tunna filmer, de hoppas kunna skapa en billigare DNA-sekvenseringsplattform med bättre resultat.

Arbetet erbjuder ett innovativt sätt som kan förbättra en av de bästa DNA-sekvenseringsmetoderna som finns tillgängliga. "Under de kommande åren, sekvenseringsteknik kommer definitivt att skifta från forskning till kliniker, " säger Aleksandra Radenovic. "För det, vi behöver snabb och prisvärd DNA-sekvensering - och nanoporeteknologi kan leverera."