DNA-sekvensering har blivit så vanligt, få inser hur svårt det är att ens extrahera en enda DNA-molekyl från ett biologiskt prov.

Forskning ledd av UC Riverside gör det lättare att upptäcka och fånga DNA från vätskeprover som blod med hjälp av ett litet glasrör och elektrisk ström. Tekniken, beskrivs i journalen Nanoskala , kan också förbättra cancerdiagnostiken i framtiden.

DNA, en dubbelsträngad, elektriskt laddad molekyl som innehåller all information en organism behöver för att skapa och organisera livets byggstenar, är tätt veckad inuti cellkärnan. Att extrahera DNA från en enda cell är tidskrävande och opraktiskt för många medicinska och vetenskapliga ändamål. Lyckligtvis, eftersom celler dör naturligt, deras membran spricker, släppa innehållet, inklusive DNA. Det betyder att ett blodprov, till exempel, innehåller många strängar av fritt flytande DNA som bör, i teorin, vara lättare att identifiera och extrahera i kvantitet.

Dock, rensningsceller kallade makrofager som rensar upp cellulärt avfall förstör det mesta av cellfritt DNA, lämnar det i låga koncentrationer i blodet. De flesta metoder för att fånga cellfritt DNA kräver dyra tekniker som först koncentrerar molekylerna innan man använder fluorescerande färgämnen för att se DNA:t.

Motsvarande författare Kevin Freedman, en biträdande professor i bioteknik vid UC Riversides Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering, ledde ett försök att förbättra detektion och infångning av DNA vid lägre koncentrationer genom att använda en elektrisk laddning för att rikta ett DNA-prov direkt in i ett glasrör med en liten öppning som kallas en nanopore. Nanopore-avkänning har dykt upp som en snabb, pålitlig, och kostnadseffektivt diagnosverktyg i olika medicinska och kliniska tillämpningar.

"Vi vet att om du lägger spänning över ett cellmembran, joner kommer att röra sig genom porerna i cellmembranet, " sa Freedman. "DNA färdas också med det elektriska fältet, och vi kan använda den för att flytta DNA.

Forskarna satte en positiv elektrod inuti ett glasrör med en öppning, eller por, 20 nanometer bred - lite större än en DNA-molekyl men för liten för att släppa in celler. De applicerade en elektrisk potential på nanoporen, som doppades i en flaska innehållande ett DNA-prov och en negativ elektrod. Det cellfria DNA:t flyttade in i poren och blockerade den. Förändringen i elektrisk ström när DNA:t färdades genom poren gjorde det möjligt för forskarna att upptäcka det.

"Det är som att försöka dra spagetti genom en nål, " sa Freedman. "För att gå igenom poren måste den vara nästan perfekt linjär."

Ju närmare vätskeytan forskarna höll poren, ju mer DNA plockade den upp.

"Otroligt, vi fann att DNA ackumuleras vid vätske-luft-gränssnitten. Om det finns ett kylskikt, DNA:t kommer att försöka gå till den kallare platsen, " sa Freedman. "Vi hoppas att detsamma gäller för ett blodprov, så samma mekanism kan användas för att koncentrera DNA nära ytan. Detta är inte bara fördelaktigt, men denna nanoporavkännande strategi visade också ett högre signal-brusförhållande nära ytan. Det är verkligen en win-win situation."

Med vissa finesser, författarna tror att deras rent elektriska teknik kan hjälpa till att diagnostisera vissa typer av cancer från ett enda blodprov. Förutom DNA, när tumörer växer, vesiklar släpps ut i blodomloppet. Dessa mini-lipid-baserade droppar kan ses som miniceller som är identiska med de ursprungliga cancercellerna och kan också detekteras genom nanoporavkänning.

Med tanke på alla de unika egenskaperna hos denna rent elektriska teknik, det nanoporavkännande systemet har potential att användas som en diagnostisk testutvärdering i framtiden.

Uppsatsen har titeln "Mätning av fångat DNA vid vätske-luftgränssnittet för förbättrad avkänning av en enda molekyl."