211service.com
Is het miltvuur of gewoon wit poeder?
Wanneer een patiënt in het ziekenhuis wordt opgenomen met tekenen van een gevaarlijke systemische bacteriële infectie, of wanneer een postbeambte wit poeder aantreft in een verdacht uitziende envelop, is het van belang om snel mogelijke ziekteverwekkers te identificeren. Om dat te bereiken, ontwikkelt een team van onderzoekers uit Massachusetts een microfluïdische chip die snelle DNA-sequencing uitvoert om bacteriën snel te identificeren. Het doel is een apparaat dat eenvoudig genoeg is om te gebruiken bij luchthaven- en andere beveiligingsonderzoeken.
Een microfluïdisch apparaat dat wordt ontwikkeld door U.S. Genomics en Draper Laboratory, scant DNA-strengen om bacteriën in een monster snel te identificeren.
Om de bacteriën in een bloedmonster of in het ventilatiesysteem van een gebouw te identificeren, moeten onderzoekers of clinici meestal beginnen met het over te halen om in het laboratorium in cultuur te groeien. Dit duurt ongeveer 14 tot 48 uur. In de tussentijd kan een patiënt met een resistente infectie het verkeerde antibioticum krijgen, of medische hulpverleners missen mogelijk de tekenen van een mogelijke bioterreuraanval.
Onderzoekers bij Amerikaanse genomica , in Woburn, MA, en Draper Laboratorium , in Cambridge, MA, werken samen om technologie te verbeteren die de sequentiebepaling en identificatie van bacteriën en andere pathogenen mogelijk maakt zonder te kweken. De onderzoekers lezen niet elke base op een DNA-streng, maar zoeken naar kenmerkende herhalingspatronen van een enkele, zeer korte reeks. Er zijn slechts vier elementen in de genetische code, dus zes tot acht basenlengtes zoals GTAGCC komen vele malen voor in alle genomen. Maar in elke soort zal zo'n reeks voorkomen in een uniek patroon. Zelfs verschillende stammen van dezelfde soort bacteriën zullen unieke identificerende patronen van een bepaalde korte sequentie hebben.
U.S. Genomics heeft een database opgebouwd van deze patronen, die het streepjescodes noemt, voor veel bacteriesoorten en stammen. Omdat het werk wordt gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Binnenlandse Veiligheid, wil het bedrijf niet onthullen hoeveel ziekteverwekkers zich in zijn database bevinden of wat het zijn. Stafwetenschapper Jeff Krogmeier zegt wel dat de overheidsinstantie geïnteresseerd is in een instrument dat in een luchthaven, winkelcentrum of andere openbare ruimte zou staan en continu de lucht zou bewaken. De compacte analysechip is een stap in deze richting, omdat hij bacteriën kan identificeren op basis van analyse van lange DNA-strengen die niet uitgebreid hoeven te worden behandeld. We hebben maar een paar moleculen [van DNA] nodig, zegt Krogmeier.
Eerst moet DNA uit het monster worden geëxtraheerd en worden gelabeld met een fluorescerend label dat alleen hecht aan plaatsen langs de streng waar de korte sequentie van belang voorkomt. (U.S. Genomics werkt eraan deze stap te vereenvoudigen, wat momenteel in het laboratorium moet worden gedaan.) Enkele lange DNA-moleculen worden vervolgens in een microfluïdische chip gevoerd, waar hydrostatische druk ze met een constante snelheid door een smal kanaal trekt. Terwijl het gelabelde DNA door het kanaal stroomt, passeert het een zeer nauw gefocuste lichtstraal. Wanneer het DNA over de straal gaat, fluoresceren de labels. Lichtflitsen van de labels worden geregistreerd als een streepjescode en vergeleken met de U.S. Genomics-database om het organisme te identificeren waarvan het DNA afkomstig is.
In de huidige incarnatie van de DNA-chips van het bedrijf worden de streepjescodepatronen gelezen met een resolutie van 0,5 micrometer. De versie die wordt ontwikkeld door U.S. Genomics and Draper Laboratory, gebruikt een golfgeleider en nanoantennes om het licht te focussen op een plek die veel kleiner is dan de helft van de golflengte, waardoor een veel hogere resolutie wordt verkregen en het apparaat kortere strengen nauwkeuriger kan lezen. Bovendien is het licht van deze antennes 10 keer zo intens, wat een sterker signaal betekent, zegt Jonathan Bernstein, een Draper-onderzoeker die aan het project werkt. En door het licht te focussen met de nanoantennes in plaats van met een lens, zijn de chips compacter en robuuster.
Krogmeier zegt dat het Amerikaanse ministerie van Binnenlandse Veiligheid niet alleen geïnteresseerd is in het identificeren van ziekteverwekkers, maar ook in het identificeren of ermee is geknoeid. Een bioterrorist die miltvuur probeert te maken of E coli dodelijker of gemakkelijker te verspreiden, zou dit vaak proberen door lange stukken DNA van een ander organisme toe te voegen. De U.S. Genomics-chip, zegt Krogmeier, zou dergelijke manipulatie kunnen detecteren.
Bernstein zegt dat de microfluïdische kanalen ook nuttig kunnen zijn om naast DNA naar moleculen te kijken. Gebruikelijke laboratoriumtechnieken zoals PCR, het proces dat wordt gebruikt om veel kopieën van een enkele DNA-streng te maken, bestaan eenvoudigweg niet voor het bestuderen van RNA en eiwitten; daardoor zijn ze moeilijker te identificeren en te manipuleren. Het grootste deel van de cel is geen DNA, zegt Bernstein. Zoiets als de microfluïdische chip die hij voor U.S. Genomics heeft ontwikkeld, zou volgens hem zeer nuttig kunnen zijn bij het bestuderen van andere biologische moleculen.