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È antrace o solo polvere bianca?
Quando un paziente viene ricoverato in ospedale con segni di una pericolosa infezione batterica sistemica, o quando un impiegato dell'ufficio postale trova polvere bianca in una busta dall'aspetto sospetto, è importante la capacità di identificare rapidamente potenziali agenti patogeni. Per ottenere ciò, un team di ricercatori del Massachusetts sta sviluppando un chip microfluidico che esegue un rapido sequenziamento del DNA per identificare rapidamente i batteri. L'obiettivo è un dispositivo abbastanza semplice da utilizzare negli aeroporti e in altri controlli di sicurezza.
Un dispositivo microfluidico sviluppato da U.S. Genomics and Draper Laboratory esegue la scansione di filamenti di DNA per identificare rapidamente i batteri in un campione.
Per identificare i batteri in un campione di sangue o nel sistema di ventilazione di un edificio, i ricercatori o i medici di solito devono iniziare convincendolo a crescere in coltura in laboratorio. Questo richiede dalle 14 alle 48 ore. Nel frattempo, a un paziente con un'infezione resistente ai farmaci può essere somministrato l'antibiotico sbagliato o gli operatori sanitari di emergenza possono perdere i segni di un potenziale attacco bioterroristico.
Ricercatori presso Genomica degli Stati Uniti , a Woburn, MA, e Laboratorio di Draper , a Cambridge, MA, stanno lavorando insieme per migliorare la tecnologia che consente il sequenziamento e l'identificazione di batteri e altri agenti patogeni senza coltura. I ricercatori non leggono ogni singola base su un filamento di DNA, ma cercano modelli distintivi di ripetizione di una singola sequenza molto breve. Ci sono solo quattro elementi nel codice genetico, quindi lunghezze di base da sei a otto come GTAGCC si verificano molte volte all'interno di tutti i genomi. Ma in ogni specie, una tale sequenza si verificherà secondo uno schema unico. Anche ceppi diversi dello stesso tipo di batteri avranno modelli di identificazione univoci di una determinata sequenza breve.
La U.S. Genomics ha creato un database di questi modelli, che chiama codici a barre, per molte specie e ceppi batterici. Poiché il lavoro è finanziato dal Dipartimento della sicurezza interna degli Stati Uniti, la società non rivelerà quanti agenti patogeni ci sono nel suo database o quali sono. Lo scienziato del personale Jeff Krogmeier afferma che l'agenzia governativa è interessata a uno strumento che si trovi in un aeroporto, un centro commerciale o un'altra area pubblica e monitori continuamente l'aria. Il suo chip di analisi compatto è un passo in questa direzione in quanto può identificare i batteri sulla base dell'analisi di lunghi filamenti di DNA che non hanno bisogno di essere ampiamente trattati. Abbiamo solo bisogno di poche molecole [di DNA], dice Krogmeier.
Innanzitutto, il DNA deve essere estratto dal campione ed etichettato con un'etichetta fluorescente che si attacca solo ai punti lungo il filamento in cui si verifica la breve sequenza di interesse. (U.S. Genomics sta lavorando per semplificare questo passaggio, che attualmente deve essere eseguito in laboratorio.) Le singole lunghe molecole di DNA vengono quindi inserite in un chip microfluidico, dove la pressione idrostatica le trascina a velocità costante attraverso un canale stretto. Quando il DNA marcato scorre attraverso il canale, passa sopra un raggio di luce focalizzato in modo molto ristretto. Quando il DNA passa sopra il raggio, le etichette diventano fluorescenti. I lampi di luce delle etichette vengono registrati come un codice a barre e confrontati con il database della Genomica degli Stati Uniti per identificare l'organismo da cui proviene il DNA.
Nell'attuale incarnazione dei chip DNA dell'azienda, i modelli di codici a barre vengono letti con una risoluzione di 0,5 micrometri. La versione sviluppata dal Genomics and Draper Laboratory degli Stati Uniti utilizza una guida d'onda e nanoantenne per focalizzare la luce su uno spot di dimensioni molto più piccole della metà della sua lunghezza d'onda, fornendo una risoluzione molto più elevata e consentendo al dispositivo di leggere fili più corti con maggiore precisione. Inoltre, la luce di queste antenne è 10 volte più intensa, il che significa un segnale più forte, afferma Jonathan Bernstein, un ricercatore di Draper che lavora al progetto. E focalizzare la luce con le nanoantenne invece che con un obiettivo significa che i chip sono più compatti e robusti.
Krogmeier afferma che il Dipartimento della sicurezza interna degli Stati Uniti è interessato non solo a identificare gli agenti patogeni, ma anche a identificare se sono stati manomessi. Un bioterrorista che cerca di produrre l'antrace o E. coli più mortale o più facilmente disperso tenterebbero spesso di farlo aggiungendo lunghi tratti di DNA da un altro organismo. Il chip U.S. Genomics, afferma Krogmeier, sarebbe in grado di rilevare tale manomissione.
Bernstein afferma che i canali microfluidici potrebbero essere utili anche per osservare molecole oltre al DNA. Tecniche di laboratorio comuni come la PCR, il processo utilizzato per fare molte copie di un singolo filamento di DNA, semplicemente non esistono per studiare l'RNA e le proteine; di conseguenza, sono più difficili da identificare e manipolare. La maggior parte della cellula non è DNA, dice Bernstein. Qualcosa come il chip microfluidico che ha sviluppato per la U.S. Genomics, dice, potrebbe essere molto utile per studiare altre molecole biologiche.