CU Boulder -forskare utvecklar nya tekniker för snabbare, mer kostnadseffektiv enkelmolekyl-DNA-sekvensering som kan ha transformativa effekter på genetisk screening, banar väg för framsteg inom vaccinutveckling, tidig cancerdetektion och organtransplantationer.

De nya metoderna - varav en baserad på kvanelektronik i nanoskala och en i optik - kan en dag tillåta en person att sekvensera sitt genom på under två minuter med hjälp av enkel utrustning, sa Prashant Nagpal, en biträdande professor vid CU Boulders institution för kemisk och biologisk teknik.

"Vi utforskar unika metoder för att tillhandahålla korrekta, användbar genetisk information snabbare och billigare, sa Nagpal.

DNA -sekvensering, som bestämmer den exakta ordningen för nukleotider som finns i biologiska molekyler, kan användas för att kartlägga enskilda gener eller hela genetiska regioner. Sedan starten på 1950 -talet sekvensering har införlivats i medicin, evolutionär biologi och andra biovetenskapliga områden, allt samtidigt som hastigheten och processorkraften ökar med hela storleksordningar.

Nagpal beskriver sin nya forskning som en aktuell återuppfattning av en teknik som har funnits i decennier, men har stött på grundläggande begränsningar de senaste åren.

"Det mänskliga genomet består av över 3 miljarder DNA -baspar, "sa Nagpal." För närvarande, sekvensering är beroende av provtagning 20 till 30 av dessa par åt gången, vilket är bra att ha, men kan bara berätta så mycket. "

Den nuvarande provtagningsmetoden, Nagpal säger, öppnar möjligheten för replikeringsfel i den större datamängden som kan förbise finkorniga markörer i en persons genetiska profil. Provtagning med en enda molekyl, han säger, ger en mer exakt bild.

Nagpal och hans team vände sig till kvanteelektronik för lösningen. De skickar en liten laddning genom en DNA- eller RNA -molekyl, och registrera mätningar av alla nukleotider i enkelmolekyler. Sekvensen identifierade nukleotiderna med 99,7 procents noggrannhet, upp från 80 procent som uppnås med andra nanotekniska metoder.

Framstegen inom kvantbaserad sekvensering beskrevs nyligen i tidskrifterna ACS Nano och Journal of the American Chemical Society . W.M. Keck Foundation gav stöd för all enkelmolekylsekvensforskning.

Nagpal har också utvecklat en optikbaserad metod för enmolekylerad sekvensering som använder en diodlaser och en kamera som är jämförbar med den för en genomsnittlig smartphone för att snabbt identifiera nukleotidsekvenser. På grund av dess unika fysiska egenskaper som både en partikel och en våg, ljus är ett smidigare sätt att samla information och överföra den i komprimerad form.

I en kommande tidning som för närvarande trycks i tidningen Små , Nagpal och hans kollegor visade att en sekvenseringsmetod med hög kapacitet kan massivt parallelliseras med hjälp av en två-millimeter chip-array som kan ta sekunder istället för timmar.

"Med denna block -sekvensering metod, du behöver inte ens sekvensera på nivån på enstaka bokstäver som A, C, G och T, "sa Nagpal." Du kan extrapolera samma information snabbare, ungefär som hur du tittar på en komprimerad version av en film på YouTube eller Netflix. "

Forskningen är fortfarande i ett tidigt skede, och Nagpal säger att nästa steg skulle vara att tillämpa sekvenseringsmetoderna på mer komplexa bakterieprov. I framtiden, han tänker sig ett bärbart DIY -sekvenseringskit som skulle kosta cirka 1 dollar. En person kan ta en DNA -pinne, lägg det på mikrochipet och vänta 100 sekunder på att få data som kan avslöja potentiellt riskfyllda genetiska markörer för cancer, till exempel, eller ge avgörande information för läkare som försöker matcha organ med transplantatmottagare.

"I stor skala, the potential applications are tremendous, " said Nagpal. "From identifying antibiotic resistance to accelerating drug discovery, improvements in the speed and accuracy of sequencing could be transformative to many scientific fields."

Other co-authors on these single-molecule sequencing methods include Lee Korshoj, Sepideh Afsari, Manjunatha Sagar, Gary Abel and Assistant Professor Anushree Chatterjee, all of CU Boulder's Department of Chemical and Biological Engineering.