Un team di scienziati del Biodesign Institute dell'Arizona State University e T.J. Il Watson Research Center ha sviluppato un prototipo di lettore di DNA che potrebbe rendere la profilazione dell'intero genoma una pratica quotidiana in medicina.

"Il nostro obiettivo è quello di mettere a buon mercato, semplici e potenti dispositivi diagnostici del DNA e delle proteine ​​in ogni singolo studio medico, " ha detto Stuart Lindsay, un professore di fisica dell'ASU e direttore del Center for Single Molecule Biophysics di Biodesign. Tale tecnologia potrebbe aiutare a inaugurare l'era della medicina personalizzata, dove le informazioni provenienti dal DNA completo e dai profili proteici di un individuo potrebbero essere utilizzate per progettare trattamenti specifici per la loro composizione individuale.

Questa tecnologia rivoluzionaria è necessaria per rendere il sequenziamento del genoma una realtà. L'ostacolo attuale è farlo per meno di $ 1, 000, un importo per il quale le compagnie di assicurazione hanno maggiori probabilità di fornire il rimborso.

Nella loro ultima svolta nella ricerca, la squadra ha modellato un piccolo, Dispositivo di lettura del DNA migliaia di volte più piccolo della larghezza di un singolo capello umano.

Il dispositivo è sufficientemente sensibile da distinguere le singole basi chimiche del DNA (conosciute con le lettere abbreviate A, C, T o G) quando vengono pompati oltre la testina di lettura.

La prova del concetto è stata dimostrata, utilizzando soluzioni delle singole basi del DNA, che ha fornito segnali chiari abbastanza sensibili da rilevare piccole quantità di DNA (concentrazioni nanomolari), anche meglio dello stato dell'arte di oggi, cosiddetta tecnologia di sequenziamento del DNA di nuova generazione.

Fare il dispositivo a stato solido è come fare un panino, solo con strumenti a semiconduttore ultra high-tech usati per affettare e impilare gli strati atomici di carni e formaggi come il blocco della macelleria. Il segreto è fare a fette e impilare gli strati così, trasformare l'informazione chimica del DNA in un cambiamento nel segnale elettrico.

Primo, hanno realizzato un "sandwich" composto da due elettrodi metallici separati da uno strato isolante spesso due nanometri (un singolo nanometro vale 10, 000 volte più piccolo di un capello umano), realizzato utilizzando una tecnologia dei semiconduttori chiamata deposizione di strati atomici.

Quindi viene praticato un foro attraverso il sandwich:le basi del DNA all'interno del foro vengono lette mentre attraversano lo spazio tra gli strati metallici.

"La tecnologia che abbiamo sviluppato potrebbe essere solo il primo grande passo nella costruzione di un dispositivo di sequenziamento a singola molecola basato sulla normale tecnologia dei chip per computer, " disse Lindsay.

"Precedenti tentativi di creare giunzioni tunnel per leggere il DNA avevano un elettrodo rivolto verso l'altro attraverso un piccolo spazio tra gli elettrodi, e gli spazi dovevano essere regolati a mano. Ciò ha reso impossibile utilizzare metodi di produzione di chip per computer per realizzare dispositivi, " disse Lindsay.

"Il nostro approccio per definire lo spazio utilizzando un sottile strato di materiale dielettrico (isolante) tra gli elettrodi ed esporre questo spazio praticando un foro attraverso gli strati è molto più semplice, " disse. "Inoltre, la tecnologia del tunneling di riconoscimento che abbiamo sviluppato ci consente di creare un gap relativamente grande (di due nanometri) rispetto ai gap molto più piccoli richiesti in precedenza per la lettura della corrente di tunnel (che erano larghi meno di un singolo nanometro). La capacità di utilizzare spazi più grandi per il tunneling rende la produzione del dispositivo molto più semplice e dà alle molecole di DNA spazio per passare gli elettrodi".

Nello specifico, quando una corrente passa attraverso il nanoporo, mentre il DNA passa attraverso, provoca un picco di corrente unico per ogni base chimica (A, C, T o G) all'interno della molecola di DNA. Vengono apportate alcune ulteriori modifiche per lucidare e completare la produzione del dispositivo.

Il team ha riscontrato notevoli variazioni da dispositivo a dispositivo, quindi sarà necessaria la calibrazione per rendere la tecnologia più robusta. E l'ultimo grande passo - ridurre il diametro del foro attraverso il dispositivo a quello di una singola molecola di DNA - deve ancora essere fatto.

Ma nel complesso, il team di ricerca ha sviluppato un processo di produzione scalabile per realizzare un dispositivo in grado di funzionare in modo affidabile per ore alla volta, identificando ciascuna delle basi chimiche del DNA mentre scorre attraverso il gap di due nanometri.

Il team di ricerca sta anche lavorando alla modifica della tecnica per leggere altre singole molecole, che potrebbe essere utilizzato in un'importante tecnologia per lo sviluppo di farmaci.

Gli ultimi sviluppi potrebbero anche portare grandi affari per l'ASU. Lindsay, soprannominato un "imprenditore seriale" dai media, ha una nuova impresa spin-out, chiamato Recognition Analytix, che spera di seguire il successo di Molecular Imaging Corp, una società di strumenti simile ha co-fondato nel 1993, e venduto ad Agilent Technologies nel 2005.

La ricerca è stata finanziata dall'Istituto nazionale di ricerca sul genoma umano del National Institutes of Health, Rocco, e pubblicato sulla rivista ACS Nano .