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Ist es Milzbrand oder nur weißes Pulver?
Wenn ein Patient mit Anzeichen einer gefährlichen systemischen bakteriellen Infektion ins Krankenhaus eingeliefert wird oder ein Postangestellter weißes Pulver in einem verdächtig aussehenden Umschlag findet, ist es wichtig, potenzielle Krankheitserreger schnell zu identifizieren. Um dies zu erreichen, entwickelt ein Forscherteam aus Massachusetts einen mikrofluidischen Chip, der eine schnelle DNA-Sequenzierung durchführt, um Bakterien schnell zu identifizieren. Das Ziel ist ein Gerät, das einfach genug ist, um bei Flughafen- und anderen Sicherheitskontrollen verwendet zu werden.
Ein mikrofluidisches Gerät, das von U.S. Genomics and Draper Laboratory entwickelt wird, scannt DNA-Stränge, um Bakterien in einer Probe schnell zu identifizieren.
Um die Bakterien in einer Blutprobe oder im Lüftungssystem eines Gebäudes zu identifizieren, müssen Forscher oder Kliniker sie normalerweise zunächst dazu bringen, sie im Labor in Kultur zu wachsen. Dies dauert etwa 14 bis 48 Stunden. In der Zwischenzeit kann einem Patienten mit einer arzneimittelresistenten Infektion das falsche Antibiotikum verabreicht werden oder Rettungskräfte können die Anzeichen einer möglichen Bioterror-Attacke übersehen.
Forscher bei US-Genomik , in Woburn, MA, und Tuchlabor , in Cambridge, MA, arbeiten zusammen, um die Technologie zu verbessern, die die Sequenzierung und Identifizierung von Bakterien und anderen Krankheitserregern ohne Kultivierung ermöglicht. Die Forscher lesen nicht jede einzelne Base eines DNA-Strangs, sondern suchen nach unverwechselbaren Wiederholungsmustern einer einzelnen, sehr kurzen Sequenz. Der genetische Code besteht nur aus vier Elementen, sodass sechs bis acht Basenlängen wie GTAGCC in allen Genomen häufig vorkommen. Aber bei jeder Art tritt eine solche Sequenz in einem einzigartigen Muster auf. Sogar verschiedene Stämme der gleichen Bakterienart haben einzigartige Identifizierungsmuster einer gegebenen kurzen Sequenz.
U.S. Genomics hat für viele Bakterienarten und -stämme eine Datenbank dieser Muster erstellt, die als Strichcodes bezeichnet werden. Da die Arbeit vom US-Heimatschutzministerium finanziert wird, gibt das Unternehmen nicht bekannt, wie viele Krankheitserreger sich in seiner Datenbank befinden oder um welche es sich handelt. Der wissenschaftliche Mitarbeiter Jeff Krogmeier sagt, dass die Regierungsbehörde an einem Instrument interessiert ist, das in einem Flughafen, einem Einkaufszentrum oder einem anderen öffentlichen Bereich platziert wird und die Luft kontinuierlich überwacht. Sein kompakter Analysechip ist ein Schritt in diese Richtung, da er Bakterien anhand der Analyse langer DNA-Stränge identifizieren kann, die nicht aufwendig behandelt werden müssen. Wir brauchen nur ein paar Moleküle [von DNA], sagt Krogmeier.
Zuerst muss DNA aus der Probe extrahiert und mit einem fluoreszierenden Tag markiert werden, der nur an Stellen entlang des Strangs anhaftet, an denen die kurze interessierende Sequenz auftritt. (U.S. Genomics arbeitet daran, diesen Schritt zu vereinfachen, der derzeit im Labor durchgeführt werden muss.) Einzelne lange DNA-Moleküle werden dann in einen Mikrofluidik-Chip geleitet, wo der hydrostatische Druck sie mit konstanter Geschwindigkeit durch einen engen Kanal zieht. Wenn die markierte DNA durch den Kanal fließt, passiert sie einen sehr eng fokussierten Lichtstrahl. Wenn die DNA den Strahl passiert, fluoreszieren die Markierungen. Lichtblitze von den Etiketten werden wie ein Strichcode aufgezeichnet und mit der US-Genomikdatenbank abgeglichen, um den Organismus zu identifizieren, von dem die DNA stammt.
In der aktuellen Inkarnation der DNA-Chips des Unternehmens werden die Strichcodemuster mit einer Auflösung von 0,5 Mikrometern gelesen. Die von U.S. Genomics and Draper Laboratory entwickelte Version verwendet einen Wellenleiter und Nanoantennen, um das Licht auf eine Punktgröße zu fokussieren, die viel kleiner als die Hälfte seiner Wellenlänge ist, was eine weitaus höhere Auflösung bietet und es dem Gerät ermöglicht, kürzere Stränge mit größerer Genauigkeit zu lesen. Darüber hinaus ist das Licht dieser Antennen zehnmal so intensiv, was ein stärkeres Signal bedeutet, sagt Jonathan Bernstein, ein Draper-Forscher, der an dem Projekt arbeitet. Und die Fokussierung des Lichts mit den Nanoantennen statt mit einer Linse macht die Chips kompakter und robuster.
Krogmeier sagt, das US-Heimatschutzministerium sei nicht nur daran interessiert, Krankheitserreger zu identifizieren, sondern auch, ob sie manipuliert wurden. Ein Bioterrorist, der versucht, Milzbrand zu machen oder E coli Tödlichere oder leichter zerstreute Organismen würden dies oft versuchen, indem sie lange DNA-Abschnitte von einem anderen Organismus hinzufügen. Der US-Genomics-Chip, sagt Krogmeier, könnte solche Manipulationen erkennen.
Bernstein sagt, dass die mikrofluidischen Kanäle auch nützlich sein könnten, um neben DNA auch Moleküle zu untersuchen. Gängige Labortechniken wie die PCR, das Verfahren zur Herstellung vieler Kopien eines einzelnen DNA-Strangs, existieren einfach nicht für die Untersuchung von RNA und Proteinen; Dadurch sind sie schwerer zu identifizieren und zu manipulieren. Der größte Teil der Zelle besteht nicht aus DNA, sagt Bernstein. Etwas wie der Mikrofluidik-Chip, den er für die US-Genomik entwickelt hat, könnte für das Studium anderer biologischer Moleküle sehr hilfreich sein.