I ricercatori di CU Boulder stanno sviluppando nuove tecniche per velocizzare, sequenziamento del DNA a singola molecola più conveniente che potrebbe avere un impatto trasformativo sullo screening genetico, aprendo la strada ai progressi nello sviluppo di vaccini, diagnosi precoce del cancro e trapianti di organi.

I nuovi metodi, uno dei quali basato sull'elettronica quantistica su nanoscala e uno sull'ottica, potrebbero un giorno consentire a una persona di sequenziare il proprio genoma in meno di due minuti utilizzando semplici apparecchiature, disse Prashant Nagpal, un assistente professore nel Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica della CU Boulder.

"Stiamo esplorando metodi unici per fornire informazioni accurate, informazioni genetiche utili in modo più rapido ed economico, " disse Nagpal.

Sequenziamento del DNA, che determina l'ordine preciso dei nucleotidi contenuti nelle molecole biologiche, può essere utilizzato per mappare singoli geni o intere regioni genetiche. Fin dalla sua nascita negli anni Cinquanta, il sequenziamento è stato incorporato nella medicina, biologia evolutiva e altri campi bioscientifici, il tutto aumentando la velocità e la potenza di elaborazione di interi ordini di grandezza.

Nagpal descrive la sua nuova ricerca come una rivisitazione tempestiva di una tecnologia che esiste da decenni, ma ha incontrato limitazioni fondamentali negli ultimi anni.

"Il genoma umano è costituito da oltre 3 miliardi di coppie di basi del DNA, " disse Nagpal. "Attualmente, il sequenziamento si basa sul campionamento da 20 a 30 di queste coppie alla volta, che è bello avere, ma posso solo dirti tanto."

L'attuale metodo di campionamento, Nagpal dice, apre la possibilità di errori di replicazione nel set di dati più ampio che potrebbero trascurare i marcatori a grana fine nel profilo genetico di una persona. Campionamento di singole molecole, lui dice, offre un quadro più preciso.

Nagpal e il suo team si sono rivolti all'elettronica quantistica per la soluzione. Inviano una piccola carica attraverso una molecola di DNA o RNA, e registrare le misurazioni di tutti i nucleotidi nelle singole molecole. La sequenza ha identificato i nucleotidi con una precisione del 99,7%, rispetto all'80% ottenuto con altri metodi di nanotecnologia.

I progressi nel sequenziamento quantistico sono stati descritti di recente nelle riviste ACS Nano e Giornale della Società Chimica Americana . Il W.M. La Keck Foundation ha fornito supporto per tutta la ricerca sul sequenziamento di singole molecole.

Nagpal ha anche sviluppato un metodo basato sull'ottica per il sequenziamento di singole molecole che utilizza un laser a diodi e una fotocamera paragonabile a quella di uno smartphone medio per identificare rapidamente le sequenze nucleotidiche. A causa delle sue proprietà fisiche uniche sia come particella che come onda, la luce è un mezzo più agile per raccogliere informazioni e trasmetterle in forma compressa.

In un articolo di prossima pubblicazione attualmente in corso di stampa sulla rivista Piccolo , Nagpal e i suoi colleghi hanno dimostrato che un metodo di sequenziamento ad alto rendimento può essere parallelizzato in modo massiccio utilizzando un array di chip di due millimetri che può richiedere secondi anziché ore.

"Con questo metodo di sequenziamento a blocchi, non è nemmeno necessario eseguire la sequenza a livello di singole lettere come A, C, G e T, " disse Nagpal. "Puoi estrapolare le stesse informazioni più velocemente, simile a come guardi una versione compressa di un film su YouTube o Netflix."

La ricerca è ancora agli inizi, e Nagpal afferma che il prossimo passo sarebbe applicare i metodi di sequenziamento a campioni batterici più complessi. Nel futuro, immagina un kit di sequenziamento fai-da-te portatile che costerebbe circa $ 1. Una persona potrebbe fare un tampone del DNA, mettilo nel microchip e attendi 100 secondi per ricevere dati che potrebbero rivelare marcatori genetici potenzialmente rischiosi per il cancro, Per esempio, o fornire informazioni cruciali per i medici che tentano di abbinare gli organi ai destinatari del trapianto.

"In scala, le potenziali applicazioni sono enormi, " said Nagpal. "From identifying antibiotic resistance to accelerating drug discovery, improvements in the speed and accuracy of sequencing could be transformative to many scientific fields."

Other co-authors on these single-molecule sequencing methods include Lee Korshoj, Sepideh Afsari, Manjunatha Sagar, Gary Abel and Assistant Professor Anushree Chatterjee, all of CU Boulder's Department of Chemical and Biological Engineering.