(PhysOrg.com) -- Il sequenziamento più veloce del DNA ha un enorme potenziale per la biologia e la medicina, in particolare per diagnosi personalizzate e trattamenti personalizzati basati sulla composizione genomica di ogni individuo. Al momento però, la tecnologia di sequenziamento rimane ingombrante e il costo proibitivo per la maggior parte delle applicazioni cliniche, anche se questo potrebbe cambiare, grazie a una serie di nuove tecniche innovative.

Nel numero attuale di Scienza , Stuart Lindsay, direttore del Centro per la biofisica delle singole molecole dell'Arizona State University presso il Biodesign Institute, insieme ai suoi colleghi, dimostra il potenziale di uno di questi metodi in cui un nastro di DNA a singolo filamento viene infilato attraverso un nanotubo di carbonio, producendo picchi di tensione che forniscono informazioni sul passaggio delle basi del DNA mentre passano attraverso il tubo, un processo noto come traslocazione.

I nanotubi di carbonio sono versatili, strutture cilindriche utilizzate in nanotecnologia, elettronica, ottica e altri campi della scienza dei materiali. Sono composti da allotropi di carbonio - varie disposizioni di atomi di carbonio, esibendo proprietà uniche di resistenza e conduttività elettrica.

Metodi tradizionali per la lettura del copione genetico, composto da quattro basi nucleotidiche, adenina, timina, citosina e guanina (etichettati A, T, C, &G), in genere si basano sulla frantumazione della molecola di DNA in centinaia di migliaia di pezzi, leggendo queste sezioni abbreviate e infine, ricostruire l'intera sequenza genetica con l'ausilio di un'enorme potenza di calcolo. Un decennio fa, il primo genoma umano - una sequenza di oltre 3 miliardi di paia di basi chimiche - è stato decodificato con successo, in un tour de force biologico. L'impresa ha richiesto circa 11 anni di sforzi scrupolosi per un costo di 1 miliardo di dollari. Oltre alla laboriosità delle tecniche esistenti, la precisione è compromessa, con errori che si accumulano in proporzione al numero di frammenti da leggere.

Una nuova strategia prevede l'uso di nanopori, orifizi di diametro molecolare che collegano due serbatoi di fluidi. Una tensione costante può essere applicata tra due elettrodi situati alle due estremità del nanoporo, inducendo una corrente ionica a fluire attraverso la lunghezza del canale racchiuso dal nanoporo. A questa scala, il passaggio anche di una singola molecola genera una variazione rilevabile nel flusso di corrente ionica attraverso il poro. Questa corrente viene poi amplificata e misurata elettronicamente. Solo di recente le tecniche di microproduzione all'avanguardia hanno consentito ai ricercatori di costruire nanopori su scala di singole molecole, aprendo molte nuove possibilità per la manipolazione e la ricerca di singole molecole.

Nello studio attuale, nanotubi di carbonio a parete singola, 1-2 nm di diametro, sono stati utilizzati per i canali di conduzione. Quando una corrente è stata indotta attraverso il nanotubo, segmenti di DNA a singolo filamento (noti come oligomeri) costituiti da 60 o 120 nucleotidi, sono stati aspirati nell'apertura del nanotubo e traslocati dal lato dell'anodo del nanotubo al lato del catodo di uscita, a causa della carica negativa trasportata dalla molecola di DNA. La velocità di traslocazione del DNA dipende sia dalla struttura del nucleotide che dal peso molecolare del campione di DNA.

I nanotubi di carbonio sono stati cresciuti su un wafer di silicio ossidato. I risultati indicano che tra i nanotubi formati con successo, quelli completamente aperti e senza perdite lungo la loro lunghezza, viene rilevato un forte picco di attività elettrica durante il processo di traslocazione del DNA. Ulteriore, l'inversione della polarizzazione degli elettrodi fa scomparire i picchi di corrente; il ripristino del bias originale ha fatto riapparire i picchi.

Lindsay sottolinea che gli impulsi di corrente transitoria, ciascuno contenente circa 10x7 cariche, rappresentano un'enorme amplificazione della carica traslocata. Una tecnica nota come reazione a catena della polimerasi quantitativa (qPCR) è stata utilizzata per verificare che i particolari nanotubi di carbonio che mostrano questi picchi di corrente anomali - circa il 20 percento del campione totale, erano infatti quelli attraverso i quali era avvenuta la traslocazione del DNA.

Il team ha effettuato simulazioni molecolari per cercare di determinare il meccanismo delle correnti ioniche anormalmente grandi rilevate nei nanotubi. L'osservazione delle curve corrente-tensione registrate a diverse concentrazioni ioniche ha mostrato che il movimento degli ioni attraverso alcuni dei tubi è molto insolito, anche se la comprensione del meccanismo preciso con cui la traslocazione del DNA dà origine ai picchi di corrente osservati richiederà un'ulteriore modellazione. Tuttavia, il caratteristico segnale elettrico della traslocazione del DNA attraverso tubi ad alta conduttanza ionica può fornire un ulteriore perfezionamento negli sforzi in corso per applicare la tecnologia dei nanopori per il sequenziamento rapido del DNA.

Fondamentale per il successo del sequenziamento rapido attraverso i nanopori è il controllo preciso della traslocazione del DNA. La speranza è che la lettura genetica possa essere significativamente accelerata, pur lasciando abbastanza tempo per identificare le basi del DNA mediante tracce di corrente elettrica. I nanotubi di carbonio forniscono un'alternativa interessante, rendendo il controllo delle caratteristiche dei nanopori più facile e affidabile.

Se il processo può essere perfezionato, Lindsay sottolinea, Il sequenziamento del DNA potrebbe essere effettuato migliaia di volte più velocemente rispetto ai metodi esistenti, ad una frazione del costo. La realizzazione dell'obiettivo della medicina personalizzata "un paziente-un genoma" fornirebbe informazioni diagnostiche essenziali e aiuterebbe a pionieri dei trattamenti individualizzati per un'ampia gamma di malattie.