211service.com
Snelle aflezing van DNA centimeters dichterbij
Om DNA-sequencing een routineonderdeel van de patiëntenzorg te laten worden, moet het goedkoper en sneller worden. Een bedrijf genaamd Oxford Nanopore hoopt zowel de kosten als de tijd die nodig is voor sequencing te verlagen met behulp van een techniek die nanopore sequencing wordt genoemd. Het bedrijf heeft nu een belangrijke demonstratie van zijn technologie gemaakt: voor het eerst konden onderzoekers DNA-basen met bijna totale nauwkeurigheid identificeren. Naast het identificeren van de vier basen van DNA, kan de techniek ook een aangepaste versie van een van de basen detecteren, die verantwoordelijk kan zijn voor het veroorzaken van kanker en andere ziekten.
Snelheidslezer : Een DNA-base (rood) gaat door een eiwittunnel die is bekleed met een suiker (blauwe en groene bubbels). De suiker vertraagt het DNA terwijl het door de porie beweegt, zodat de base kan worden geïdentificeerd.
De nieuwe techniek maakt de directe identificatie van basen mogelijk zonder de fluorescerende labels en beeldapparatuur die wordt gebruikt voor conventionele high-speed sequencing. Direct uitlezen van DNA moet niet alleen sneller en goedkoper zijn, maar moet het ook mogelijk maken om complexere analyses uit te voeren, zegt Jeffrey Schloss, programmadirecteur technologieontwikkeling bij de VS. Nationaal onderzoeksinstituut voor menselijk genoom . Het vermogen van het Oxford Nanopore-systeem om de DNA-modificaties te detecteren die zijn gecatalogiseerd door een opkomend veld dat epigenetica wordt genoemd, is bijzonder opwindend, zegt Schloss. Zo is aangetoond dat de toevoeging van organische moleculen, methylgroepen genaamd, aan een van de basen een rol speelt bij de ontwikkeling van ziekten zoals kanker. Maar het is moeilijk om deze modificaties te detecteren met behulp van conventionele sequencing-methoden, dus de volledige effecten en waarom ze plaatsvinden, zijn nog steeds niet goed begrepen.
Oxford Nanopore-onderzoekers hebben nog niet aangetoond dat ze met hun systeem volledige DNA-sequenties kunnen verwerken. De nieuwe resultaten, deze week gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , zijn een belangrijk proof of concept voor nanopore-sequencing. Ze hebben de haalbaarheid van alle stappen aangetoond, zegt Schloss.
Het systeem dat het bedrijf gebruikte om DNA-basen te identificeren, is een tunnelachtig eiwit dat is ingebed in een membraan dat sterk lijkt op het membraan dat biologische cellen omringt. De stroom van ionen over het membraan en door de porie creëert een stroom die kan worden gemeten met een elektrode die vergelijkbaar is met die gebruikt om neuronen in het laboratorium te bestuderen. Door een sterk elektrisch potentiaal over het membraan aan te leggen, drijven onderzoekers DNA-basen door de porie. Terwijl elke basis er doorheen gaat, wijzigt het de stroom die door de porie vloeit op een karakteristieke manier.
De sleutel om de methode te laten werken, is het beheersen van de stroom van de basen door de eiwitporie. DNA-basen zijn te klein om alleen te worden geïdentificeerd: ze zouden er doorheen vliegen, zegt James Clarke, een wetenschapper bij Oxford Nanopore. Dus een suikermolecuul dat langs de opening loopt, zorgt ervoor dat het groter wordt, zodat het DNA er niet te snel doorheen ritselt. In eerdere versies van het nanoporiënsysteem was dit suikermolecuul nogal losjes geassocieerd met de porie, in en uit bewegend. Bedrijfsonderzoekers onder leiding van oprichter Hagan Bayley , die ook hoogleraar scheikunde is aan de Universiteit van Oxford, maakte het mogelijk om DNA-basen na elkaar te lezen door de suiker chemisch aan de binnenkant van de nanoporie te binden.
Oxford Nanopore kan basen identificeren, maar nog niet in volgorde. Het systeem dat het heeft gedemonstreerd omvat het passeren van gehakt DNA, niet hele strengen, door de nanoporie. Het bedrijf werkt nu aan een opstelling om lange strengen DNA door de porie één base tegelijk te voeren. Om dit te doen, moeten de onderzoekers een enzym, exonuclease genaamd, aan de nanopore hechten. Ze hopen dat basen één voor één door het enzym worden afgehakt en door de porie naar de andere kant gaan.
Er is een vraag [over] wat er zal gebeuren als je lange strengen DNA voor de nanoporie plaatst, zegt Schloss. Zal het een hopeloze knoop vormen?
Dit is slechts een van de vele onbekenden waarmee onderzoekers worden geconfronteerd. Om de technologie echt schaalbaar en commercieel levensvatbaar te maken, moeten de poriën in grote arrays worden gegroepeerd en moet het bedrijf een minder gecompliceerde manier ontwikkelen om de elektrische signalen uit de poriën te lezen. Oxford Nanopore zegt dat het momenteel aan beide problemen werkt.
Een mogelijke valkuil van Oxfords nanopore-exonuclease-aanpak, zegt Schloss, is dat het DNA wordt vernietigd zoals het is gelezen, waardoor het onmogelijk wordt om een streng opnieuw te rangschikken om te controleren op fouten.
Er zijn echter andere benaderingen voor nanopore-sequencing die minder destructief zijn. David Deamer , emeritus hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, die in de jaren negentig voor het eerst met het concept van nanopore-sequencing kwam en wetenschappelijk adviseur is voor Oxford Nanopore, wijst erop dat dit niet de eerste demonstratie is van een nanopore-systeem dat kan alle DNA-basen identificeren. Vorig jaar hebben onderzoekers onder leiding van Reza Ghadiri aan het Scripps Institute, in La Jolla, CA, sequeneerde een DNA-streng met een lengte van 10 basen met behulp van een andere nanopore-techniek. De stroom van DNA door het Scripps-systeem, dat is gebaseerd op het oorspronkelijke concept van Deamer, wordt gecontroleerd door een enzym dat als een ratel werkt en het molecuul base voor base naar voren beweegt. Maar dit systeem is veel te traag, het vordert met een snelheid van één base per 10 minuten, en de Scripps-onderzoekers werken eraan om het te versnellen.
Oxford Nanopore heeft niet al zijn eieren in één mand gelegd. Het heeft technologie in licentie gegeven voor verschillende methoden voor nanopore-sequencing, waaronder Deamer's en een andere die een kunstmatige nanopore gebruikt: een siliciumwafel die is geponst met gaten op nanoschaal en bekleed met koolstofnanobuisjes waarvan de geleiding verandert als het DNA passeert.
Een van deze benaderingen zal een doorbraak hebben en zal sneller en goedkoper kunnen sequencen dan wat we nu doen, voorspelt Deamer. Noch de onderzoekers van Oxford Nanopore, noch die van concurrerende laboratoria zijn bereid te speculeren over wanneer dit precies zal gebeuren, of wat zo'n systeem per genoom zou kosten. Maar Schloss zegt dat het mogelijk is dat een van de groepen zal voldoen aan het oorspronkelijke doeljaar 2014 van het National Human Genome Research Institute voor succesvolle nanopore-sequencing.