Un team di scienziati guidato dal fisico della Virginia Commonwealth University Jason Reed, dottorato di ricerca, hanno sviluppato una nuova tecnologia di nanomapping che potrebbe trasformare il modo in cui vengono diagnosticate e scoperte le mutazioni genetiche che causano malattie. Descritto in uno studio pubblicato oggi sulla rivista Comunicazioni sulla natura , questo nuovo approccio utilizza la microscopia a forza atomica (AFM) ad alta velocità combinata con una tecnica di codifica a barre chimica basata su CRISPR per mappare il DNA con la stessa precisione del sequenziamento del DNA durante l'elaborazione di ampie sezioni del genoma a una velocità molto più elevata. Inoltre, la tecnologia può essere alimentata da parti che si trovano nel tuo comune lettore DVD.

Il genoma umano è composto da miliardi di coppie di basi del DNA. svelato, si estende per una lunghezza di quasi sei piedi di lunghezza. Quando le cellule si dividono, devono fare una copia del loro DNA per la nuova cellula. Però, a volte varie sezioni del DNA vengono copiate in modo errato o incollate insieme nella posizione sbagliata, portando a mutazioni genetiche che causano malattie come il cancro. Il sequenziamento del DNA è così preciso da poter analizzare singole coppie di basi del DNA. Ma per analizzare ampie sezioni del genoma per trovare mutazioni genetiche, i tecnici devono determinare milioni di minuscole sequenze e poi metterle insieme con il software del computer. In contrasto, le tecniche di imaging biomedico come l'ibridazione in situ a fluorescenza (FISH) possono analizzare il DNA solo a una risoluzione di diverse centinaia di migliaia di paia di basi.

Il nuovo metodo AFM ad alta velocità di Reed è in grado di mappare il DNA a una risoluzione di decine di coppie di basi creando immagini di dimensioni fino a un milione di coppie di basi. E lo fa usando una frazione della quantità di campione richiesta per il sequenziamento del DNA.

"Il sequenziamento del DNA è uno strumento potente, ma è ancora piuttosto costoso e presenta diversi limiti tecnologici e funzionali che rendono difficile mappare ampie aree del genoma in modo efficiente e preciso, "dice Jason Reed, dottorato di ricerca, ricercatore principale dello studio. Reed è membro del programma di ricerca Cancer Molecular Genetics presso il VCU Massey Cancer Center e professore associato presso il Dipartimento di Fisica del VCU College of Humanities and Sciences. "Il nostro approccio colma il divario tra il sequenziamento del DNA e altre tecniche di mappatura fisica che mancano di risoluzione. Può essere utilizzato come metodo autonomo o può integrare il sequenziamento del DNA riducendo la complessità e l'errore quando si mettono insieme i piccoli frammenti di genoma analizzati durante il processo di sequenziamento".

Gli scienziati IBM hanno fatto notizia nel 1989 quando hanno sviluppato la tecnologia AFM e hanno utilizzato una tecnica correlata per riorganizzare le molecole a livello atomico per enunciare "IBM". L'AFM raggiunge questo livello di dettaglio utilizzando uno stilo microscopico, simile a un ago su un giradischi, che a malapena entra in contatto con la superficie del materiale studiato. L'interazione tra lo stilo e le molecole crea l'immagine. Però, L'AFM tradizionale è troppo lento per le applicazioni mediche e quindi viene utilizzato principalmente dagli ingegneri nella scienza dei materiali.

"Il nostro dispositivo funziona allo stesso modo dell'AFM, ma spostiamo il campione oltre lo stilo a una velocità molto maggiore e utilizziamo strumenti ottici per rilevare l'interazione tra lo stilo e le molecole. Possiamo ottenere lo stesso livello di dettaglio dell'AFM tradizionale ma può elaborare il materiale più di mille volte più velocemente, "dice Reed, il cui team ha dimostrato che la tecnologia può essere integrata utilizzando apparecchiature ottiche presenti nei lettori DVD. "L'AFM ad alta velocità è ideale per alcune applicazioni mediche in quanto può elaborare i materiali rapidamente e fornire una risoluzione centinaia di volte superiore rispetto ai metodi di imaging comparabili".

Aumentare la velocità dell'AFM era solo uno degli ostacoli che Reed ei suoi colleghi hanno dovuto superare. Al fine di identificare effettivamente le mutazioni genetiche nel DNA, hanno dovuto sviluppare un modo per posizionare marcatori o etichette sulla superficie delle molecole di DNA in modo da poter riconoscere schemi e irregolarità. È stata sviluppata un'ingegnosa soluzione di codici a barre chimici utilizzando una forma di tecnologia CRISPR.

CRISPR ha fatto un sacco di titoli di recente per quanto riguarda l'editing genetico. CRISPR è un enzima che gli scienziati sono stati in grado di "programmare" utilizzando l'RNA mirato per tagliare il DNA in punti precisi che la cellula poi ripara da sola. Il team di Reed ha alterato le condizioni di reazione chimica dell'enzima CRISPR in modo che si attacchi solo al DNA e non lo tagli effettivamente.

"Poiché l'enzima CRISPR è una proteina fisicamente più grande della molecola del DNA, è perfetto per questa applicazione di codici a barre, ", afferma Reed. "Siamo rimasti sorpresi nello scoprire che questo metodo è efficiente per quasi il 90% nel legarsi alle molecole di DNA. E poiché è facile vedere le proteine ​​CRISPR, puoi individuare mutazioni genetiche tra i modelli nel DNA."

Per dimostrare l'efficacia della tecnica, i ricercatori hanno mappato le traslocazioni genetiche presenti nelle biopsie linfonodali di pazienti con linfoma. Le traslocazioni si verificano quando una sezione del DNA viene copiata e incollata nel punto sbagliato del genoma. Sono particolarmente diffusi nei tumori del sangue come il linfoma, ma si verificano anche in altri tumori.

Sebbene ci siano molti potenziali usi per questa tecnologia, Reed e il suo team si stanno concentrando sulle applicazioni mediche. Stanno attualmente sviluppando un software basato su algoritmi esistenti in grado di analizzare modelli in sezioni di DNA di dimensioni fino a oltre un milione di coppie di basi. Una volta completato, non sarebbe difficile immaginare questo strumento delle dimensioni di una scatola da scarpe nei laboratori di patologia che assiste nella diagnosi e nel trattamento di malattie legate a mutazioni genetiche.