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Il chip del DNA fornisce un ID positivo
Negli ultimi cinque anni, i chip del DNA sono stati un potente strumento di ricerca, con molte promesse per un uso futuro in ambito clinico. Queste minuscole superfici di silicio o vetro, ricoperte da migliaia di frammenti di DNA, vengono utilizzate dai ricercatori per scoprire i geni nei campioni di DNA. Ma ancora sfuggente è il Santo Graal di questa tecnologia: un singolo dispositivo portatile completamente automatizzato, o laboratorio su un chip, in grado di analizzare istantaneamente il DNA da una singola ciocca di capelli o una goccia di sangue.
Una società che ha fatto un grande passo in quella direzione è Nanogen, con sede a San Diego. Il suo NanoChip è attualmente l'unico chip a DNA sul mercato che utilizza la microfluidica, il canale di fluidi sulla superficie di un chip, e la segnalazione elettronica per identificare più precisamente varianti e mutazioni genetiche. Ciò può portare a un rilevamento più accurato di agenti patogeni, microrganismi o sottotipi di malattie genetiche.
Incontra e abbina
Tutti i chip del DNA si basano su una proprietà intrinseca del DNA: quando la familiare doppia elica viene divisa a metà, ogni pezzo di DNA cercherà di riconnettersi con un altro pezzo complementare, un processo chiamato ibridazione.
La superficie dei chip di DNA convenzionali, come quelli prodotti dal gigante dei biochip Affymetrix, è solitamente ricoperta da decine di migliaia di filamenti di DNA, chiamati sonde. In un'applicazione tipica, i geni provenienti, ad esempio, da un tumore canceroso vengono etichettati con un colorante fluorescente e applicati alla superficie del chip. Quelli che corrispondono si legano alle sonde e il resto viene lavato via. I marcatori fluorescenti, letti con uno scanner, consentono ai ricercatori di identificare le sequenze di DNA che compongono i geni legati. Questo processo può richiedere fino a tre ore.
In molti casi, tuttavia, il legame del gene campione e la sua sonda corrispondente possono nascondere una mancata corrispondenza di una o due lettere di base (i mattoni del DNA). Per la maggior parte degli scopi, questo grado di precisione è adeguato, poiché consente ai ricercatori di identificare i geni, o famiglie di geni, con sicurezza.
Ma quando i ricercatori hanno bisogno di identificare l'esatta variante del gene, per distinguere, ad esempio, tra i diversi sottotipi di una malattia, una o due lettere possono indicare tutta la differenza.
Flusso elettrico
Nanogen spera che il NanoChip soddisfi questa esigenza. Più specializzato dei chip DNA convenzionali, utilizza microfluidica, elettronica e un intelligente pezzo di ingegneria inversa per arrivare a una corrispondenza perfetta.
All'interno del chip, una serie di canali microfluidici conduce a un nucleo centrale contenente 99 siti di test, ciascuno dei quali può essere controllato indipendentemente con una carica elettrica. Mentre i chip DNA standard sono dotati di sonde, la cartuccia NanoChip arriva vuota e deve essere personalizzata. Per preparare il chip, le sonde del DNA vengono posizionate nei canali microfluidici e viene applicata una carica elettrica ai siti di test che ospiteranno le sonde. Poiché il DNA contiene una carica negativa intrinseca, le sonde vengono trascinate lungo i canali nelle posizioni desiderate.
Una carica elettrica accelera anche il processo di ibridazione, trascinando campioni di geni verso le sonde. Dopo l'ibridazione, la carica elettrica viene invertita. Rimangono solo campioni perfettamente abbinati e l'output viene quindi letto su una workstation desktop personalizzata. L'intero processo dura circa 15 minuti.
Finora, ha prodotto un'accuratezza del 100%, afferma Paolo Fortina, ricercatore al Children's Hospital di Philadelphia, che utilizza il NanoChip da quasi un anno, principalmente per convalidare i risultati di un sequenziatore di DNA. Recentemente, ha utilizzato il NanoChip in uno studio sulle varianti genetiche e sulle malattie cardiovascolari.
Altre piattaforme
In un campo ricco di sperimentazioni, anche altre aziende biotecnologiche cercano il successo con i propri approcci alla costruzione di chip a DNA.
Il gruppo eSensor di Motorola, con il quale Nanogen ha recentemente risolto una controversia sui brevetti sui metodi di rilevamento molecolare, prevede di arrivare sul mercato con il proprio chip DNA questo autunno. Il chip Motorola utilizza l'elettronica non per aumentare la velocità e la precisione, ma per identificare il DNA ibridato senza fluorescenza. Il chip eSensor contiene sonde etichettate con un tag elettronico. Una volta avvenuta l'ibridazione, viene applicata una tensione al chip, facendo sì che le sonde ibridate rilascino un segnale.
HandyLab, uno spin-off dell'Università del Michigan, sta lavorando su un chip di DNA a base di microfluidica, che sperano sarà approvato per l'uso clinico. Come Nanogen, HandyLab utilizza la segnalazione elettronica per manipolare i fluidi. Ma invece di sfruttare la carica negativa intrinseca all'interno del DNA stesso, HandyLab sta sperimentando la pneumatica termica, riscaldando elettricamente piccole sacche d'aria per spingere il fluido, quindi controllando chimicamente il flusso. HandyLab prevede studi clinici del suo prodotto nel 2003.
Orchid Biosciences, con sede a Princeton, NJ, sta sviluppando una piattaforma di biochip costituita da un circuito microfluidico a più livelli, per rilevare varianti e mutazioni genetiche. Orchid spera di incorporare questa piattaforma altamente parallela nella propria linea di prodotti entro il 2003.