Le strutture che fanno girare la luce rivelano piccole quantità di DNA con una sensibilità 50 volte migliore rispetto ai migliori metodi attuali, ha dimostrato una collaborazione tra l'Università del Michigan e la Jiangnan University in Cina.

Il rilevamento altamente sensibile del DNA può aiutare nella diagnosi dei pazienti, risolvere i crimini e identificare le origini di contaminanti biologici come un agente patogeno in una rete idrica.

"Non importa da dove provenga il DNA bersaglio, " ha detto Nicholas Kotov, il Joseph B. e Florence V. Cejka Professore di Ingegneria Chimica presso la U-M. "Per rilevare un DNA specifico, abbiamo solo bisogno di conoscere una piccola parte della sua sequenza."

Gli attuali metodi di analisi del DNA si basano sulla copia di segmenti di un filamento di DNA. Il processo decomprime la doppia elica e quindi breve, filamenti di DNA "primer" prodotti in laboratorio si attaccano a ciascuna metà del DNA originale. Questi primer avviano il processo di copiatura, usando il DNA decompresso come stampo. I segmenti mirati di DNA possono essere replicati in questo modo, raddoppiando ogni ciclo. Se viene prodotto abbastanza DNA prima che gli errori di copiatura diventino un grosso problema, quindi ulteriori analisi possono mostrare se il campione corrisponde a un sospetto, Per esempio.

Ma se i primer fossero molto selettivi per la sospetta sequenza di DNA, quindi si poteva determinare una corrispondenza semplicemente rilevando se il DNA era stato copiato o meno. Gli studi hanno rivelato che si potevano osservare piccole quantità di DNA quando le nanoparticelle d'oro sferiche erano attaccate ai primer. Se il DNA corrispondeva ai sospetti, stringhe di particelle legate insieme al DNA si formerebbero nel processo di replicazione. La soluzione di nanoparticelle cambierebbe colore da rosso a blu, a causa del modo in cui le stringhe di particelle interagiscono con la luce.

"Sono stati raggiunti limiti di rilevamento impressionanti per i DNA corti con nanoparticelle; tuttavia, non per lungo DNA, " ha detto Kotov.

Il problema, Lui ha spiegato, è che se le particelle sono più lontane di pochi nanometri, o milionesimi di millimetro, "non interagiscono fortemente e il colore blu non si verifica." Sono necessari filamenti più lunghi per differenziare tra specie e individui con maggiore precisione.

"Se i fili sono troppo corti, potresti mischiare il DNA di un killer con quello del cane di un amico, o una traccia di cancro allo stomaco maligno con il pezzo di un burrito di pollo, " ha detto Kotov.

Lui e il suo compagno Chuanlai Xu, professore di scienze e tecnologie alimentari alla Jiangnan University in Cina, ha condotto uno sforzo per vedere se un cambiamento ottico più sottile avrebbe resistito a distanze maggiori.

Invece di usare nanoparticelle sferiche, il team ha iniziato con nanobarre, a forma di minuscole caramelle Mike e Ike, circa 62 nanometri di lunghezza e 22 nanometri di diametro. Hanno attaccato il DNA del primer ai lati di questi.

Quando i nanorod si allineano, tendono a disallinearsi di circa 10 gradi. Dopo alcuni cicli di copiatura, le strutture dell'oro e del DNA assomigliavano a scale di corda intrecciata. La luce che passava attraverso la spirale di raggi dorati reagiva ruotando.

"La luce può essere ruotata anche quando le nanobarre sono lontane l'una dall'altra, " Ha detto Kotov. "Questo dà ai nostri metodi un enorme vantaggio in termini di sensibilità per lunghi filamenti di DNA".

La rotazione avviene perché la luce è composta da onde elettriche e magnetiche che si muovono in tandem, e i campi elettrici e magnetici esercitano forze su particelle cariche che hanno libertà di muoversi, come gli elettroni nei metalli. Gli elettroni nell'oro rispondono molto bene alla frequenza delle onde luminose visibili, così cominciano a muoversi avanti e indietro nell'oro, sincronizzato con la luce. Questo effetto è una strada a doppio senso:gli elettroni in movimento nell'oro possono anche influenzare le onde luminose.

Kotov paragona la luce a una corda attraversata da increspature.

"Ora immagina che l'aria intorno alla corda possa muoversi più facilmente lungo determinate direzioni, " ha detto Kotov.

Per la luce che passa attraverso i nanotubi d'oro, è più facile se l'onda elettrica si muove su e giù per la lunghezza dei nanotubi, quindi la luce ruota mentre si sposta da nanorod a nanorod e continua a torcersi dopo aver lasciato la struttura. E a seconda che la luce inizi a ruotare in senso orario o antiorario, sente maggiormente la torsione delle nanobarre a diverse lunghezze d'onda.

"Per scopi analitici, questo è un regalo, " ha detto Kotov.

I due picchi nella quantità di torsione per la luce in senso orario e antiorario possono essere sommati insieme, che rende il segnale più forte e consente al metodo di identificare una corrispondenza con quantità minori di DNA.

"La forza della rotazione raggiunge il massimo quando lo spazio tra le nanobarre è di 20 nanometri, che è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno per il rilevamento di lunghi, filamenti di DNA selettivi e specie-specifici, " Kotov said. "The calculations presented show that we can potentially increase the sensitivity even more in the future and to even longer DNAs."