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Posted in | Bionanotechnology

Biophysiker Lindsay stellt kostengünstiges Verfahren zur DNA-Sequenzierung Lesen

Published on November 15, 2010 at 1:20 AM

Die Verdrehung, Leiter-ähnliche Form der DNA-Molekül-den architektonischen Grundriss des Lebens-enthält ein Universum von Informationen, die für die menschliche Gesundheit.

Enorme Anstrengungen bei der Entschlüsselung des genetischen Codes investiert worden, darunter, am bekanntesten, das Human Genome Project. Trotzdem bleibt der Prozess des Lesens rund drei Milliarden Nukleotid "Briefe", um ein individuelles Das vollständige Genom offenbaren ein kostspieliges und komplexes Unterfangen.

Stuart Lindsay ist ein Biophysiker an der Biodesign Institute an der Arizona State University.

Jetzt Biophysiker Stuart Lindsay, der Biodesign Institute an der Arizona State University, hat eine Technik, die eine schnelle, kostengünstige Lektüre von ganzen Genomen führen können, durch die Anerkennung der grundlegenden chemischen Einheiten-the Nukleotidbasen, aus denen die DNA-Doppelhelix unter Beweis gestellt. Eine erschwingliche Technik zur DNA-Sequenzierung wäre ein enormer Fortschritt für die Medizin sein, so dass die klinische Routine genomischen Screening für diagnostische Zwecke, die Gestaltung einer neuen Generation von passgenauen Pharmazeutika, und auch genomische Basteln, zelluläre Resistenz gegen virale oder bakterielle Infektion zu erhöhen.

Lindsay ist eine ASU Regents 'Professor und Carson Presidential Lehrstuhl für Physik und Chemie sowie Direktor des Biodesign Institute Zentrum für Single Molecule Biophysik. Seine Gruppe ist Forschung erscheint in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Nanotechnology.

Lindsay die Technik zum Auslesen der DNA-Code stützt sich auf eine fundamentale Eigenschaft der Materie, wie Quanten-Tunneling, welche bei den subatomaren Bereich bekannt. Nach der Quantentheorie kann Elementarteilchen wie Elektronen haben einige sehr seltsame und counter-intuitive Dinge, trotz der klassischen Gesetze der Physik. Solche sub-atomaren, Quanten-Einheiten besitzen sowohl ein Teilchen und eine wellenartige Natur. Ein Teil der Folge davon ist, dass ein Elektron eine gewisse Wahrscheinlichkeit des Übergangs von der einen Seite ein Hindernis für die anderen, unabhängig von der Höhe oder Breite eines solchen Barriere hat.

Bemerkenswert ist, kann ein Elektron dies zu bewerkstelligen, auch wenn die potentielle Energie der Barriere übersteigt die kinetische Energie des Teilchens. Ein solches Verhalten ist als Quanten-Tunneling bezeichnet, und der Fluss von Elektronen ist ein Tunnelstrom. Tunneling ist es, kleine Entfernungen-so klein, dass ein Tunnelübergang der Lage sein sollten zu einem DNA-Base (es gibt vier davon in der gentic Code, A, T, C und G) zu einem Zeitpunkt, zu lesen, ohne Einmischung von flankierenden Basen beschränkt. Aber die gleiche Sensitivität gegenüber Abstand bedeutet, dass Schwingungen der DNA, oder daran beteiligt sind Wassermoleküle, Ruine der Tunnelstrom-Signal. So die Lindsay Gruppe hat "Anerkennung Moleküle", die "grab hold" jeder Grundlage wiederum griff der Basis gegen die Elektroden, die ausgelesen das Signal. Entwickelten Sie nennen diese neue Methode "Anerkennung Tunnelbau."

Die aktuelle Papier in Nature Nanotechnology zeigt, dass einzelne Basen innerhalb eines DNA-Kette in der Tat kann mit Tunneling, ohne Störungen von benachbarten Basen abgelesen werden. Jede Basis erzeugt eine deutliche elektronisches Signal, Stromspitzen zu einer bestimmten Größe und Häufigkeit, die jeder Basis identifizieren dienen. Überraschenderweise ist die Technik erkennt sogar eine kleine chemische Veränderung, die die Natur manchmal verwendet, um die Feinabstimmung der Expression von Genen, die sogenannte "epigenetische" Code. Während eines Individuums genetische Code ist das gleiche in jeder Zelle ist der epigenetischen Code für Gewebe und Zellen spezifisch und anders als das Genom selbst, das Epigenom können auf Veränderungen der Umwelt in das Leben eines Menschen zu reagieren.

So lesen Sie mehr Längen von DNA, ist Lindsay Gruppe zu koppeln das Tunneling-Anzeige mit einer Nanopore, ein winziges Loch, durch das DNA gezogen wird, eine Basis zu einer Zeit arbeiten, durch ein elektrisches Feld. Das Papier in Nature Nanotechnology hat etwas über dieses Problem zu sagen. "Es war schon immer geglaubt, dass das Problem mit dem Übertragen von DNA durch eine Nanopore ist, dass es durch fliegt so schnell, dass es keine Zeit gibt, um die Reihenfolge zu lesen", sagt Lindsay. Überraschenderweise sind die Tunnel-Signale in der Nanture Nanotechnology Papier zuletzt für eine lange Zeit fast eine Sekunde pro Base zu lesen gemeldet.

Um dies zu testen Ergebnis schloss sich Lindsay mit einem Kollegen, Robert Ros, zu messen, wie hart man ziehen, um den Komplex eines DNA-Basen und die Erkennungsmoleküle Pause hat. Sie taten dies mit einem Rasterkraftmikroskop. "Diese Messungen der langen Lebensdauer der Anlage bestätigt und zeigte auch, dass die Lesezeit sein könnte beschleunigt werden bei der Anwendung eines kleinen zusätzlichen Zugkraft", sagt Ros. "So ist die Bühne für die Kombination von Tunnel liest mit einem Gerät, das DNA durchläuft eine Nanopore eingestellt ist", sagt Lindsay.

Sequenzierung durch Anerkennung Tunnelbau, wenn sich bewährt für gesamten Genoms zu lesen, könnte einen erheblichen Einsparungen bei Kosten und hoffentlich mit der Zeit auch. Bestehende Methoden der DNA-Sequenzierung in der Regel beim Schneiden die volle Molekül in Tausenden von Komponenten Bits, Schnippeln neben der Leiter der komplementären Basen und Lesen dieser Fragmente verlassen. Später müssen die Stücke sorgfältig wieder zusammengebaut, mit Hilfe von massiven Rechenleistung. "Direkte Anzeige des epigenetischen Codes ist der Schlüssel zum Verständnis, warum Zellen in verschiedenen Geweben unterschiedlich sind, obwohl sie das gleiche Genom" Lindsay fügt einen Verweis auf die neue Möglichkeit, epigenetische Modifikationen mit Tunneling zu lesen.

Lindsay betont viel Arbeit zu tun bleibt, bevor die Anwendung der Sequenzierung durch Anerkennung einer klinischen Realität werden kann. "Im Moment können wir nur lesen zwei oder drei Basen, da der Tunnel Sonde driftet über sie, und einige Basen sind genauer als andere erkannt", sagt er. Allerdings erwartet der Konzern dies zu verbessern, wie künftige Generationen von Anerkennung Moleküle synthetisiert werden.

"Die grundlegende Physik ist jetzt bewiesen" Lindsay und fügt hinzu, "vielleicht wird es bald möglich sein, diese Grundsätze in Masse produziert Computerchips integrieren." Der Tag der "Genom auf einem Lap-top" könnte früher als bisher für möglich gehalten zu kommen.

Quelle: http://www.asu.edu/

Last Update: 3. October 2011 08:56

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