211service.com
Geschwindigkeitsablesung von DNA Zoll näher
Damit die DNA-Sequenzierung zu einem routinemäßigen Bestandteil der Patientenversorgung wird, muss sie kostengünstiger und schneller werden. Eine Firma namens Oxford Nanopore hofft, mit einer Technik namens Nanoporen-Sequenzierung sowohl die Kosten als auch den Zeitaufwand für die Sequenzierung zu senken. Das Unternehmen hat seine Technologie nun auf wichtige Weise demonstriert: Zum ersten Mal konnten Forscher DNA-Basen mit nahezu absoluter Genauigkeit identifizieren. Neben der Identifizierung der vier Basen der DNA kann die Technik auch eine modifizierte Version einer der Basen erkennen, die für die Entstehung von Krebs und anderen Krankheiten verantwortlich sein kann.
Schnellleser : Eine DNA-Base (rot) passiert einen mit Zucker ausgekleideten Proteintunnel (blaue und grüne Blasen). Der Zucker verlangsamt die DNA, während sie sich durch die Pore bewegt, sodass Zeit für die Identifizierung der Base bleibt.
Die neue Technik ermöglicht die direkte Identifizierung von Basen ohne die Fluoreszenzmarkierungen und Bildgebungsgeräte, die für die konventionelle Hochgeschwindigkeitssequenzierung verwendet werden. Das direkte Auslesen der DNA soll nicht nur schneller und kostengünstiger sein, sondern auch komplexere Analysen ermöglichen, sagt Jeffrey Schloss, Programmdirektor für Technologieentwicklung in den USA. Nationales Institut für Humangenomforschung . Besonders spannend sei die Fähigkeit des Oxford Nanopore-Systems, die DNA-Modifikationen zu erkennen, die von einem aufstrebenden Gebiet namens Epigenetik katalogisiert wurden, sagt Schloss. So spielt beispielsweise die Anlagerung organischer Moleküle, genannt Methylgruppen, an eine der Basen eine Rolle bei der Entstehung von Krankheiten wie Krebs. Es ist jedoch mühsam, diese Modifikationen mit herkömmlichen Sequenzierungsmethoden zu erkennen, sodass die vollen Auswirkungen und deren Ursachen noch nicht gut verstanden sind.
Forscher von Oxford Nanopore haben noch nicht gezeigt, dass sie mit ihrem System komplette DNA-Sequenzen verarbeiten können. Die neuen Ergebnisse, die diese Woche in Natur Nanotechnologie , sind ein wichtiger Machbarkeitsnachweis für die Nanoporensequenzierung. Sie haben die Machbarkeit aller Schritte gezeigt, sagt Schloss.
Das System, mit dem das Unternehmen DNA-Basen identifiziert, ist ein tunnelartiges Protein, das in eine Membran eingebettet ist, die derjenigen, die biologische Zellen umgibt, sehr ähnlich ist. Der Ionenfluss durch die Membran und durch die Pore erzeugt einen Strom, der mit einer Elektrode gemessen werden kann, die denen ähnlich ist, die zur Untersuchung von Neuronen im Labor verwendet werden. Durch Anlegen eines starken elektrischen Potenzials über die Membran treiben die Forscher DNA-Basen durch die Pore. Wenn jede Base durchläuft, modifiziert sie den Strom, der durch die Pore fließt, auf charakteristische Weise.
Der Schlüssel zum Funktionieren der Methode liegt in der Kontrolle des Flusses der Basen durch die Proteinpore. DNA-Basen seien zu klein, um allein identifiziert zu werden: Sie würden durchfliegen, sagt James Clarke, Wissenschaftler bei Oxford Nanopore. Ein Zuckermolekül, das die Öffnung auskleidet, füllt sie also auf, damit die DNA nicht zu schnell hindurchfließt. In früheren Versionen des Nanoporensystems war dieses Zuckermolekül eher lose mit der Pore verbunden und bewegte sich hinein und heraus. Unternehmensforscher unter Leitung des Gründers Hagan Bayley , der auch Chemie-Professor an der Universität Oxford ist, ermöglichte es, DNA-Basen nacheinander auszulesen, indem er den Zucker chemisch an das Innere der Nanopore anbindete.
Oxford Nanopore kann Basen identifizieren, aber noch nicht der Reihe nach. Das gezeigte System besteht darin, zerhackte DNA, nicht ganze Stränge, durch die Nanopore zu leiten. Das Unternehmen arbeitet jetzt an einem Setup, um lange DNA-Stränge nacheinander durch die Pore zu füttern. Dazu müssen die Forscher ein Enzym namens Exonuklease an die Nanopore anbringen. Sie hoffen, dass Basen nacheinander vom Enzym abgehackt werden und durch die Pore auf die andere Seite gelangen.
Es stellt sich die Frage, was passiert, wenn man lange DNA-Stränge vor die Nanopore legt, sagt Schloss. Wird es einen hoffnungslosen Knoten bilden?
Dies ist nur eine von mehreren Unbekannten, mit denen Forscher konfrontiert sind. Um die Technologie wirklich skalierbar und kommerziell nutzbar zu machen, müssen die Poren in großen Arrays gruppiert werden und das Unternehmen muss eine weniger komplizierte Methode zum Lesen der elektrischen Signale aus den Poren entwickeln. Oxford Nanopore sagt, dass es derzeit an diesen beiden Problemen arbeitet.
Ein potenzieller Fallstrick des Nanoporen-Exonuklease-Ansatzes von Oxford, sagt Schloss, besteht darin, dass die DNA beim Lesen zerstört wird, was es unmöglich macht, einen Strang neu zu sequenzieren, um auf Fehler zu überprüfen.
Es gibt jedoch andere Ansätze zur Nanoporen-Sequenzierung, die weniger destruktiv sind. David Deamer , emeritierter Professor für Chemie an der University of California, Santa Cruz, der in den 1990er Jahren erstmals das Konzept der Nanoporensequenzierung entwickelt hat und wissenschaftlicher Berater von Oxford Nanopore ist, weist darauf hin, dass dies nicht die erste Demonstration eines Nanoporensystems ist, das kann alle DNA-Basen identifizieren. Im vergangenen Jahr haben Forscher unter der Leitung von Reza Ghadiri am Scripps Institute in La Jolla, CA, einen 10 Basen langen DNA-Strang mit einer anderen Nanoporen-Technik sequenziert. Der DNA-Fluss durch das Scripps-System, das auf Deamers ursprünglichem Konzept basiert, wird von einem Enzym gesteuert, das als Ratsche fungiert und das Molekül jeweils um eine Base vorwärts bewegt. Aber dieses System ist viel zu langsam und schreitet alle 10 Minuten um eine Basis voran, und die Scripps-Forscher arbeiten daran, es zu beschleunigen.
Oxford Nanopore hat nicht alle Eier in einen Korb gelegt. Es hat Technologie für mehrere Nanoporen-Sequenzierungsmethoden lizenziert, darunter Deamer und eine andere, die eine künstliche Nanopore verwendet: einen Siliziumwafer, der mit nanoskaligen Löchern gestanzt und mit Kohlenstoffnanoröhren ausgekleidet ist, deren Leitfähigkeit sich beim Durchtritt der DNA ändert.
Einer dieser Ansätze wird einen Durchbruch haben und in der Lage sein, schneller und billiger zu sequenzieren, als wir es jetzt tun, prognostiziert Deamer. Weder die Forscher von Oxford Nanopore noch die von konkurrierenden Labors wollen darüber spekulieren, wann dies geschehen wird oder was ein solches System pro Genom kosten würde. Aber Schloss sagt, es sei möglich, dass eine der Gruppen das ursprüngliche Zieljahr 2014 des National Human Genome Research Institute für eine erfolgreiche Nanoporen-Sequenzierung erreicht.