211service.com
DNA-sequencing in een handomdraai
Een nieuwe sequentietechnologie die wordt ontwikkeld door een startup in Massachusetts, stelt wetenschappers in staat om foto's te maken van de sequentie van een DNA-molecuul. William Glover , president van ZS Genetica , gevestigd in North Reading, MA, zegt dat zijn aanpak wetenschappers in staat zal stellen lange stukken DNA te lezen, waardoor de sequentiebepaling van moeilijk leesbare gebieden mogelijk wordt, zoals zeer repetitieve gebieden in planten en sommige delen van het menselijk genoom. Langere sequenties stellen wetenschappers ook in staat onderscheid te maken tussen maternale en vaderlijke chromosomen, die belangrijke diagnostische toepassingen kunnen hebben.
De volgorde zien: Deze afbeelding toont een cluster van DNA-moleculen (zwarte strengen) die zijn gesynthetiseerd met behulp van basen die speciaal zijn gelabeld om zichtbaar te zijn onder een elektronenmicroscoop. Wetenschappers gebruiken deze techniek om een nieuwe sequencing-technologie te ontwikkelen.
Wetenschappers op een recente sequencingconferentie in San Diego - waar voor het eerst details van de technologie werden gepresenteerd - waren geïntrigeerd door de aanpak omdat deze totaal anders is dan zelfs de nieuwste methoden op de markt. Het is verrassend en potentieel zeer krachtig, zegt Vladimir Benes , hoofd van de Genomics Core Facility van het European Molecular Biology Laboratory in Duitsland.
De kosten van DNA-sequencing zijn sterk gedaald sinds een werkend ontwerp van het menselijk genoom in 2001 werd voltooid. De meeste van de nieuwste technologieën die momenteel in gebruik zijn, genereren zeer korte sequenties, ongeveer 30 tot 150 basenparen, die vervolgens aan elkaar worden genaaid met speciale software. Maar deze methode legt niet altijd alle informatie in het genoom vast en sommige delen van het genoom zijn op deze manier moeilijk te sequensen, zegt Glover.
ZS Genetics is een relatieve nieuwkomer in het veld en gebruikt een benadering die heel anders is dan alle andere: elektronenmicroscopie. Glover voorspelt dat de technologie van het bedrijf volgend jaar in staat zal zijn om leesbare lengtes van DNA te genereren die duizenden basenparen lang zijn, en hij gelooft dat de sequentiemethode van ZS Genetics de komende jaren met een factor 10 zal verbeteren. waardoor de stukken nog gemakkelijker te monteren zijn. Het bedrijf werd onlangs aanvaard als een van de teams in de Archon X Prize for Genomics, een prijs van $ 10 miljoen voor het eerste privaat gefinancierde team dat in 10 dagen 100 menselijke genomen kan sequensen.
Elke technologie die de leeslengte naar het bereik van 1000 basenparen kan brengen, zal zeker, in ieder geval voor de novo sequencing, een grote doorbraak betekenen, zegt Benes. Hij zegt dat de aanpak bijzonder nuttig kan zijn voor het sequencen van de genomen van planten, die vaak zeer complexe genomen hebben die bezaaid zijn met repetitieve sequenties die moeilijk rekenkundig te assembleren zijn.
Met een breedte van 2,2 nanometer is DNA onzichtbaar onder een gemiddelde lichtmicroscoop.
Maar elektronenmicroscopen, die het verschil in lading tussen atomen detecteren, hebben een resolutie van subnanometer. Hoewel de sequentie van natuurlijk DNA onvoldoende contrast heeft om te worden opgelost met elektronenmicroscopie, ontwikkelden Glover en zijn collega's een nieuw labelsysteem om de moleculen beter zichtbaar te maken.
Onderzoekers synthetiseren een nieuwe complementaire streng van het molecuul waarvan de sequentie moet worden bepaald met behulp van basen - de letters waaruit het DNA bestaat - gelabeld met jodium en broom. De gelabelde basen verschijnen als grote of kleine stippen onder de elektronenmicroscoop, waardoor wetenschappers de reeks kunnen lezen. (Er zijn drie verschillende labels nodig om de volgorde van de vier basen in DNA te lezen. Drie van de basen zullen verschillende labels hebben; de vierde blijft gewoon ongelabeld.)
Het substraat waarop de nieuw gelabelde moleculen worden afgebeeld, is gemaakt met behulp van halfgeleiderfabricagetechnieken. Wetenschappers genereren siliciumwafels met een venster van 11 nanometer dik, dat dun genoeg is voor de elektronenstraal van de microscoop om het DNA-molecuul van het substraat te onderscheiden. ZS Genetics werkt ook aan het maken van nog dunnere wafels om de resolutie van het beeld te verhogen.
DNA heeft de neiging zich op te rollen tot een verwarde massa, dus een van de grootste uitdagingen was het ontwarren van die bal in lineaire strengen die kunnen worden gelezen. Onderzoekers stromen eerst vloeistof door een microfluïdisch apparaat met kleine kanaaltjes. Dat apparaatje past bovenop de met DNA gecoate wafer. De kracht van de stroming rekt de DNA-moleculen uit, die vervolgens aan het silicium blijven kleven. Een elektronenstraal wordt door de wafer geschoten en een camera legt het beeld vanaf de andere kant vast. De wafer is het belangrijkste merkgebonden verbruiksartikel, zegt Glover. Het zal spotgoedkoop zijn.
Wanneer uitgerekt, ziet het DNA eruit als een ladder waarvan de bases de sporten vormen. Tot nu toe heeft het bedrijf afbeeldingen vrijgegeven van een stuk DNA van 23 kilobase dat gebruik maakt van een enkel type gelabelde base. Glover zegt dat hij en zijn team ook multilabel-sequencing hebben gedaan, hoewel hij weigerde aanvullende details te geven.
Toch heeft de technologie nog een lange weg te gaan voordat het marktklaar is. Veel proof-of-principle-methoden kunnen werken in R&D, maar het op de markt brengen is niet triviaal, zegt Benes. Glover wil deze zomer een prototype hebben dat wetenschappers kunnen testen, en volgend jaar een sneller commercieel systeem. Hij voegt eraan toe dat, omdat het grootste deel van het systeem afhankelijk is van bestaande technologieën, het gemakkelijk en goedkoop zal zijn om het systeem te upgraden met nieuwe camera's en software.
Door langer te lezen, kunnen wetenschappers kijken naar verzamelingen van genetische variaties die samen zijn geërfd, bekend als haplotypes. Dit soort analyse kan bepalen of een bepaalde genetische variatie is doorgegeven van de moeder of vader van het individu. Recent onderzoek suggereert dat in sommige gevallen maternale of vaderlijke overerving de ernst van de ziekte kan beïnvloeden, een fenomeen dat vaker voorkomt dan eerder werd gedacht.