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Ein tragbarer DNA-Detektor
Ein neues tragbares DNA-Analysegerät analysiert in Echtzeit Blutproben, die am Tatort zurückgelassen wurden. Forscher der University of California, Berkeley, haben das Gerät entwickelt, das Mikrofluidik, Elektronik, Optik und chemische Detektionstechnologie in einer einzigen aktentaschengroßen Einheit vereint. Während frühere Gruppen Lab-on-a-Chip-Systeme entwickelt haben, ist es keiner von ihnen gelungen, ein vollständig tragbares, robustes System zu entwickeln, das vor Ort verwendet werden kann, sagt der Teamleiter Richard Mathies .
CSI vor Ort: Nachdem eine Blutprobe am Tatort entnommen wurde, kann dieses Gerät in Aktentaschengröße verwendet werden, um seine DNA in sechs Stunden oder weniger zu extrahieren und zu analysieren.
Das neue Gerät kann für die Short-Tandem-Repeat (STR)-Analyse verwendet werden, eine Technik, die seit ihrer ersten Anwendung im Jahr 1991 in der modernen forensischen Arbeit zur Routine geworden ist, aber normalerweise im Labor stattfindet. Die Forscher führten Echtzeit-STR-Profiling an einem simulierten Tatort durch, der vom Sheriff-Büro von Palm Beach County (FL) eingerichtet wurde. Innerhalb von sechs Stunden wurden Blutproben entnommen und am Tatort eine DNA-Extraktion und -Analyse durchgeführt.
Die Forscher betonen jedoch, dass ihr System zwar sehr zuverlässig, aber noch nicht kommerziell erhältlich ist und nur zur vorläufigen Beweisführung für polizeiliche Ermittlungen verwendet werden kann. Der Vorteil sei, dass die Polizei nun fast sofort Informationen darüber habe, wer der wahrscheinlichste Täter tatsächlich sei, erklärt Mathies. Auf diese Weise können sie die Person finden und wichtige Beweise beschaffen, bevor sie die Region verlässt oder Beweise vernichtet.
Mathies ist der Erfinder von Kapillarelektrophorese-Arrays und Energietransfer-Fluoreszenzfarbstoffmarkern – zwei Technologien, die häufig in modernen DNA-Sequenzern verwendet werden. Diese Technologien kombinieren miniaturisierte chemische und biochemische Analyse mit hochempfindlicher Fluoreszenzdetektion.
Nachdem am Tatort eine Probe entnommen wurde, werden DNA-Stränge amplifiziert und getrennt, um eine Signatur zu erkennen. Im Inneren des Geräts wird ein DNA-Fragment in einem 160-Nanoliter-Polymerase-Kettenreaktionsreaktor (PCR) repliziert, der mit einer On-Chip-Heizung und einem Temperatursensor gekoppelt ist. Die biologische Probe und die PCR-Reagenzien werden für eine bestimmte Zeit drei unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, und ein sieben Zentimeter langer Trennkanal dient zur DNA-Analyse durch Kapillarelektrophorese. Mit dem Gerät gelang es den Forschern, in nur zweieinhalb Stunden reproduzierbare STR-Profile von DNA-Proben zu erstellen.
Der Detektor misst 30 mal 25 mal 10 Zentimeter und wiegt 10 Kilogramm. Es verbraucht 20 Watt Leistung, die von einer Autobatterie geliefert werden kann. So kann es problemlos im Koffer mitgeführt und als Fluggepäck aufgegeben werden, sagt Teammitglied Peng Liu.
Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung eines tragbaren DNA-Sequenzierungsgeräts ist die Kontrolle des Probenflusses durch das System. Um dieses Problem zu lösen, bauten Mathies und Mitarbeiter einen mehrschichtigen Kunststoffchip mit einem komplizierten System geätzter Kanäle. Dieses System wurde mit den gleichen Techniken hergestellt, die zur Herstellung von Computerchips verwendet wurden.
Die meisten US-Bundesstaaten sammeln jetzt bei der Festnahme DNA-Proben von Verdächtigen. Die Möglichkeit, Tatortproben schnell mit Aufzeichnungen aus dieser Datenbank abzugleichen, könnte die Identifizierung von Kriminellen dramatisch beschleunigen, sagt Mathies.
Das Berkeley-Team plant, die Sensitivität und den Durchsatz des Geräts zu verbessern, indem es andere analytische Schritte wie die Reinigung nach der PCR integriert. Durch die Integration mehrerer Einheiten können mehrere DNA-Proben gleichzeitig analysiert werden, erklärt Liu. Das Gerät könnte in nur drei bis fünf Jahren auf den Markt kommen, sagen die Forscher.
Eines der Hindernisse bei der Entwicklung von Lab-on-a-Chip-Technologien ist die System- und Prozessintegration, und dieser Aspekt der neuen Arbeit ist wirklich spannend, sagt Stephen Haswell von der University of Hull, UK, der auch am DNA-Abgleich von Tatorten arbeitet. Die Arbeit ist eine wichtige Entwicklung sowohl für die forensische Gemeinschaft als auch für diejenigen, die eine echte Lab-on-a-Chip-Technologie entwickeln möchten.