Una nuova tecnica per leggere il codice del DNA si basa su una proprietà fondamentale della materia nota come tunneling quantistico, che opera su scala subatomica. L'attuale documento mostra che le singole basi all'interno di una catena di DNA possono effettivamente essere lette con il tunneling, senza interferenze da basi vicine, indicando la strada al basso costo, sequenziamento rapido del DNA.

La torsione, La forma a scala della molecola del DNA - la planimetria architettonica della vita - contiene un universo di informazioni critiche per la salute umana. Enormi sforzi sono stati investiti nella decifrazione del codice genetico, Compreso, più famoso, il Progetto Genoma Umano. Tuttavia, il processo di lettura di circa tre miliardi di "lettere" di nucleotidi per rivelare l'intero genoma di un individuo rimane un'impresa costosa e complessa.

Ora il biofisico Stuart Lindsay, del Biodesign Institute dell'Arizona State University, ha dimostrato una tecnica che può portare a rapidi, lettura a basso costo di interi genomi, attraverso il riconoscimento delle unità chimiche di base, le basi nucleotidiche che costituiscono la doppia elica del DNA. Una tecnica conveniente per il sequenziamento del DNA sarebbe un enorme progresso per la medicina, consentire lo screening genomico clinico di routine a fini diagnostici; la progettazione di una nuova generazione di farmaci su misura; e persino armeggiare genomico per migliorare la resistenza cellulare all'infezione virale o batterica.

Lindsay è un professore dell'ASU Regents e Carson Presidential Chair of Physics and Chemistry, nonché direttore del Center for Single Molecule Biophysics del Biodesign Institute. La ricerca del suo gruppo appare nell'attuale numero della rivista Nanotecnologia della natura .

La tecnica di Lindsay per leggere il codice del DNA si basa su una proprietà fondamentale della materia nota come tunneling quantistico, che opera su scala subatomica. Secondo la teoria quantistica, le particelle elementari come gli elettroni possono fare cose molto strane e controintuitive, a dispetto delle leggi classiche della fisica. Tale sub-atomico, le entità quantistiche possiedono sia una particella che una natura ondulatoria. Parte della conseguenza di ciò è che un elettrone ha una certa probabilità di spostarsi da un lato all'altro di una barriera, indipendentemente dall'altezza o dalla larghezza di tale barriera.

Sorprendentemente, un elettrone può compiere questa impresa, anche quando l'energia potenziale della barriera supera l'energia cinetica della particella. Tale comportamento è noto come tunneling quantistico, e il flusso di elettroni è una corrente tunnel. Il tunneling è limitato a piccole distanze, così piccole che una giunzione del tunnel dovrebbe essere in grado di leggere una base del DNA (ce ne sono quattro nel codice gentico, UN, T, C e G) alla volta senza interferenza da basi fiancheggianti. Ma la stessa sensibilità alla distanza fa sì che le vibrazioni del DNA, o molecole d'acqua che intervengono, rovinare il segnale di tunneling. Quindi il gruppo di Lindsay ha sviluppato "molecole di riconoscimento" che "afferrano" a turno ogni base, stringendo la base contro gli elettrodi che leggono il segnale. Chiamano questo nuovo metodo "tunneling di riconoscimento".

L'attuale documento in Nature Nanotechnology mostra che le singole basi all'interno di una catena di DNA possono effettivamente essere lette con il tunneling, senza interferenze da basi vicine. Ogni base genera un segnale elettronico distinto, picchi di corrente di una particolare dimensione e frequenza che servono ad identificare ciascuna base. Sorprendentemente, la tecnica riconosce anche un piccolo cambiamento chimico che la natura a volte usa per mettere a punto l'espressione dei geni, il cosiddetto codice "epigenetico". Mentre il codice genetico di un individuo è lo stesso in ogni cellula, il codice epigenetico è tessuto e cellula specifico e a differenza del genoma stesso, l'epigenoma può rispondere ai cambiamenti ambientali durante la vita di un individuo.

Per leggere lunghezze maggiori di DNA, Il gruppo di Lindsay sta lavorando per accoppiare la lettura del tunnel a un nanoporo, un minuscolo foro attraverso il quale viene trascinato il DNA, una base alla volta, da un campo elettrico. Anche il documento su Nature Nanotechnology ha qualcosa da dire su questo problema. "Si è sempre creduto che il problema con il passaggio del DNA attraverso un nanoporo fosse che passa così velocemente che non c'è tempo per leggere la sequenza", dice Lindsay. Sorprendentemente, i segnali di tunneling riportati nel Nanotecnologia naturale la carta dura a lungo, quasi un secondo per base letta.

Per testare questo risultato, Lindsay ha collaborato con un collega, Roberto Ros, per misurare quanto si deve tirare per rompere il complesso di una base di DNA più le molecole di riconoscimento. Lo hanno fatto con un microscopio a forza atomica. "Queste misurazioni hanno confermato la lunga durata del complesso, e ha anche dimostrato che il tempo di lettura potrebbe essere accelerato a piacimento mediante l'applicazione di una piccola forza di trazione aggiuntiva", afferma Ros. "Così il palcoscenico è pronto per combinare le letture tunnel con un dispositivo che fa passare il DNA attraverso un nanoporo", afferma Lindsay.

Sequenziamento tramite tunneling di riconoscimento, se dimostrato di successo per la lettura dell'intero genoma, potrebbe rappresentare un notevole risparmio di costi e, si spera, anche nel tempo. I metodi esistenti di sequenziamento del DNA si basano tipicamente sul taglio dell'intera molecola in migliaia di bit componenti, facendo a pezzi la scala delle basi complementari e leggendo questi frammenti. Dopo, i pezzi devono essere meticolosamente rimontati, con l'aiuto di un'enorme potenza di calcolo. "La lettura diretta del codice epigenetico è la chiave per capire perché le cellule nei diversi tessuti sono diverse, pur avendo lo stesso genoma" aggiunge Lindsay, un riferimento alla nuova capacità di leggere le modificazioni epigenetiche con il tunneling.

Lindsay sottolinea che resta ancora molto lavoro da fare prima che l'applicazione del sequenziamento mediante riconoscimento possa diventare una realtà clinica. "Proprio adesso, possiamo leggere solo due o tre basi mentre la sonda tunnel va alla deriva su di esse, e alcune basi sono identificate più accuratamente di altre, "dice. Tuttavia, il gruppo prevede che ciò migliorerà man mano che le generazioni future di molecole di riconoscimento verranno sintetizzate.

"La fisica di base è ora dimostrata", dice Lindsay, aggiungendo "forse sarà presto possibile incorporare questi principi nei chip per computer prodotti in serie". Il giorno del "genoma su un computer portatile" potrebbe arrivare prima di quanto si pensasse in precedenza.