Sequenziamento del DNA in un attimo

Una nuova tecnologia di sequenziamento sviluppata da una startup del Massachusetts consente agli scienziati di scattare fotografie della sequenza di una molecola di DNA. William Glover , presidente di ZS Genetica , con sede a North Reading, MA, afferma che il suo approccio consentirà agli scienziati di leggere lunghi tratti di DNA, consentendo il sequenziamento di aree difficili da leggere, come regioni altamente ripetitive nelle piante e alcune parti del genoma umano. Sequenze più lunghe consentono inoltre agli scienziati di distinguere tra cromosomi materni e paterni, che potrebbero avere importanti applicazioni diagnostiche.

Vedendo la sequenza: Questa immagine mostra un cluster di molecole di DNA (fili neri) che sono state sintetizzate utilizzando basi appositamente etichettate per essere visibili al microscopio elettronico. Gli scienziati stanno usando questa tecnica per sviluppare una nuova tecnologia di sequenziamento.

Gli scienziati in una recente conferenza sul sequenziamento a San Diego, dove sono stati presentati per la prima volta i dettagli della tecnologia, sono rimasti incuriositi dall'approccio perché è totalmente diverso anche dai metodi più recenti sul mercato. È sorprendente e potenzialmente molto potente, dice Vladimir Benes , capo della Genomics Core Facility presso il Laboratorio europeo di biologia molecolare, in Germania.

Il costo del sequenziamento del DNA è crollato da quando una bozza di lavoro del genoma umano è stata completata nel 2001. La maggior parte delle più recenti tecnologie attualmente in uso genera sequenze molto brevi, da 30 a 150 coppie di basi, che vengono poi unite con un software speciale. Ma questo metodo non cattura sempre tutte le informazioni nel genoma e alcune parti del genoma sono difficili da sequenziare in questo modo, afferma Glover.

ZS Genetics è relativamente nuova nel campo e utilizza un approccio molto diverso da qualsiasi altro: la microscopia elettronica. Glover prevede che entro il prossimo anno la tecnologia dell'azienda sarà in grado di generare lunghezze leggibili di DNA lunghe migliaia di paia di basi e crede che il metodo di sequenziamento di ZS Genetics migliorerà di un fattore 10 nei prossimi due anni, rendendo i pezzi ancora più facili da montare. La società è stata recentemente accettata come una delle squadre dell'Archon X Prize for Genomics, un premio di 10 milioni di dollari per la prima squadra finanziata da privati ​​in grado di sequenziare 100 genomi umani in 10 giorni.

Qualsiasi tecnologia in grado di portare la lunghezza di lettura all'intervallo di 1.000 coppie di basi rappresenterà sicuramente, almeno per il sequenziamento de novo, un importante passo avanti, afferma Benes. Dice che l'approccio potrebbe essere particolarmente utile per il sequenziamento dei genomi delle piante, che spesso hanno genomi altamente complessi disseminati di sequenze ripetitive difficili da assemblare a livello computazionale.

Con una larghezza di 2,2 nanometri, il DNA è invisibile al microscopio ottico medio.

Ma i microscopi elettronici, che rilevano la differenza di carica tra gli atomi, hanno una risoluzione subnanometrica. Mentre la sequenza del DNA naturale manca di contrasto sufficiente per essere risolta con la microscopia elettronica, Glover e i suoi colleghi hanno sviluppato un nuovo sistema di etichettatura per rendere le molecole più visibili.

I ricercatori sintetizzano un nuovo filamento complementare della molecola da sequenziare utilizzando le basi, le lettere che compongono il DNA, etichettate con iodio e bromo. Le basi etichettate appaiono come punti grandi o piccoli al microscopio elettronico, consentendo agli scienziati di leggere la sequenza. (Saranno necessarie tre etichette diverse per leggere la sequenza delle quattro basi trovate nel DNA. Tre delle basi avranno etichette diverse; la quarta rimarrà semplicemente senza etichetta.)

Il substrato su cui vengono esposte le molecole appena marcate viene realizzato utilizzando tecniche di fabbricazione di semiconduttori. Gli scienziati generano wafer di silicio con una finestra spessa 11 nanometri, abbastanza sottile da consentire al fascio di elettroni del microscopio di distinguere la molecola di DNA dal substrato. ZS Genetics sta anche lavorando per realizzare wafer ancora più sottili per aumentare la risoluzione dell'immagine.

Il DNA ha la tendenza a raggomitolarsi in una massa aggrovigliata, quindi una delle maggiori sfide è stata districare quella palla in filamenti lineari che possono essere letti. I ricercatori prima fanno scorrere il fluido attraverso un dispositivo microfluidico con piccoli canali. Quel dispositivo si adatta al wafer rivestito di DNA. La forza del flusso allunga le molecole di DNA, che poi si attaccano al silicio. Un fascio di elettroni viene sparato attraverso il wafer e una telecamera cattura l'immagine dall'altro lato. Il wafer è il principale materiale di consumo proprietario, afferma Glover. Sarà a buon mercato.

Quando allungato, il DNA sembra una scala con le basi che formano i pioli. Finora, la società ha rilasciato immagini di un pezzo di DNA di 23 kilobase utilizzando un singolo tipo di base etichettata. Glover afferma che lui e il suo team hanno anche eseguito il sequenziamento multilabel, sebbene si sia rifiutato di fornire ulteriori dettagli.

Tuttavia, la tecnologia ha ancora molta strada da fare prima che sia pronta per il mercato. Molti metodi di prova dei principi possono funzionare nella ricerca e sviluppo, ma portarli sul [mercato] non è banale, afferma Benes. Glover mira ad avere un prototipo questa estate che gli scienziati possono testare e un sistema commerciale più veloce l'anno prossimo. Aggiunge che, poiché la maggior parte del sistema si basa su tecnologie esistenti, sarà facile ed economico aggiornare il sistema con nuove fotocamere e software.

Letture più lunghe consentiranno agli scienziati di esaminare raccolte di variazioni genetiche che sono state ereditate insieme, note come aplotipi. Questo tipo di analisi può determinare se una particolare variazione genetica è stata tramandata dalla madre o dal padre dell'individuo. Ricerche recenti suggeriscono che in alcuni casi l'ereditarietà materna o paterna può influire sulla gravità della malattia, un fenomeno che potrebbe essere più comune di quanto si pensasse in precedenza.

nascondere