Gli scienziati dell'Arizona State University hanno escogitato una nuova svolta nei loro sforzi per sviluppare un modo più rapido ed economico per leggere il codice genetico del DNA. Hanno sviluppato il primo, lettore di DNA versatile in grado di discriminare tra i quattro componenti chimici principali del DNA, la chiave per sbloccare il codice vitale dietro l'ereditarietà e la salute umana.

Guidato dal professor Stuart Lindsay dell'ASU Regents, direttore del Centro per la biofisica delle singole molecole del Biodesign Institute, il team dell'ASU è uno dei pochi che ha ricevuto fondi di stimolo per un'iniziativa nazionale di ricerca sul genoma umano, parte dell'Istituto Superiore di Sanità, rendere il sequenziamento del genoma del DNA diffuso quanto un controllo medico di routine.

L'obiettivo generale di questa iniziativa "$ 1000 genome" è sviluppare una tecnologia di sequenziamento del DNA di nuova generazione per inaugurare l'era della medicina personalizzata, dove la conoscenza di un individuo è completa, 3 miliardi di codici di informazioni sul DNA, o genoma, consentirà un approccio più personalizzato alla diagnosi e al trattamento della malattia. Con le attuali tecnologie che impiegano quasi un anno per essere completate con un costo di diverse centinaia di migliaia di dollari, fino ad oggi meno di 20 individui sul pianeta hanno sequenziato il loro intero genoma.

Per realizzare il loro sogno di ricerca, Il team di Lindsay ha immaginato di costruire un piccolo, lettore di DNA su scala nanometrica che potrebbe funzionare come uno scanner per le casse di un supermercato, distinguere tra le quattro lettere chimiche del codice genetico del DNA, abbreviato con A, G, C, e T, mentre passano rapidamente dal lettore.

Fare così, avevano bisogno di sviluppare l'equivalente nanotecnologico di infilare la cruna di un ago. In questo caso, il DNA sarebbe il filo che potrebbe essere riconosciuto mentre passa davanti all'"occhio" del lettore. Negli ultimi anni, Il team di Lindsay ha fatto progressi costanti, e ha dimostrato per la prima volta la capacità di leggere singole sequenze di DNA nel 2008, ma questo approccio era limitato perché dovevano utilizzare quattro lettori separati per riconoscere ciascuna delle basi del DNA. Più recentemente, hanno dimostrato la capacità di infilare sequenze di DNA attraverso lo stretto foro di un elemento fondamentale della nanotecnologia, il nanotubo di carbonio.

Il team di Lindsay si affida agli occhi della nanotecnologia, microscopi a effetto tunnel (STM) e a forza atomica (ATM), per effettuare le loro misurazioni. I microscopi hanno una punta dell'elettrodo delicata che viene tenuta molto vicino al campione di DNA.

Nella loro ultima innovazione, La squadra di Lindsay ha realizzato due elettrodi, uno all'estremità della sonda del microscopio, e un altro in superficie, che avevano le loro minuscole estremità chimicamente modificate per attirare e catturare il DNA tra uno spazio vuoto come un paio di pinzette chimiche. Il divario tra questi elettrodi funzionalizzati doveva essere regolato per trovare il punto debole del legame chimico, in modo che quando una singola base chimica del DNA passa attraverso un minuscolo, distanza di 2,5 nanometri tra due elettrodi d'oro, si attacca momentaneamente agli elettrodi e si rileva un piccolo aumento di corrente. Qualsiasi più piccolo, e le molecole sarebbero in grado di legarsi in molte configurazioni, confondere la lettura, eventuali basi più grandi e più piccole non verrebbero rilevate.

"Quello che abbiamo fatto è stato restringere il numero di tipi di configurazioni legate a una sola per base di DNA, " ha detto Lindsay. "La bellezza dell'approccio è che tutte e quattro le basi si adattano appena allo spazio di 2,5 nanometri, quindi è una taglia unica, ma solo così!"

A questa scala, che è largo solo pochi diametri atomici, sono in gioco fenomeni quantistici in cui gli elettroni possono effettivamente passare da un elettrodo all'altro, tunneling attraverso le basi del DNA nel processo.

Ciascuna delle basi chimiche del codice genetico del DNA, abbreviato A, C, T o G, dà una firma elettrica unica mentre passano tra lo spazio negli elettrodi. Per tentativi ed errori, e un po' di serendipità, hanno scoperto che solo una singola modifica chimica a entrambi gli elettrodi poteva distinguere tra tutte e 4 le basi del DNA.

"Ora abbiamo realizzato un lettore di sequenze di DNA generico e siamo il primo gruppo a segnalare il rilevamento di tutte e 4 le basi del DNA in uno spazio vuoto del tunnel, " disse Lindsay. "Inoltre, gli esperimenti di controllo mostrano che c'è un certo (scarso) livello di discriminazione anche con elettrodi nudi (gli esperimenti di controllo) e questo è di per sé, anche una prima».

"Siamo rimasti piuttosto sorpresi dal fatto di legarci agli elettrodi nudi perché, come molti fisici, avevamo sempre pensato che le basi sarebbero semplicemente cadute. Ma veramente, qualsiasi chimico di superficie vi dirà che le basi hanno deboli interazioni chimiche con le superfici metalliche."

Prossimo, Il gruppo di Lindsay sta lavorando sodo cercando di adattare il lettore al lavoro con soluzioni a base d'acqua, una fase criticamente pratica per le applicazioni di sequenziamento del DNA. Anche, il team vorrebbe combinare le capacità del lettore con la tecnologia dei nanotubi di carbonio per lavorare sulla lettura di brevi tratti di DNA.

Se il processo può essere perfezionato, Il sequenziamento del DNA potrebbe essere eseguito molto più velocemente della tecnologia attuale, e ad una frazione del costo. Solo allora la promessa della medicina personalizzata raggiungerà un pubblico di massa.