Science journal NEWSFOCUS Abschnitt beschreibt die jüngsten Fortschritte in der sequenziertechnologie

Schnelle DNA-Sequenzierung bald ein normaler Bestandteil jeder einzelnen Patientenakte, die Bereitstellung von enormen Informationen, die bisher abgesondert in das menschliche Genom mit seinen 3 Milliarden Nukleotid-Basen. Diese Woche NEWSFOCUS Abschnitt der Zeitschrift Science beschreibt die jüngsten Fortschritte in der sequenziertechnologie.

Stuart Lindsay, Leiter des Biodesign-Instituts Mitte für Einzelne Molekül-Biophysik ist auf der vordersten Front der Erforschung, nachdem er erfolgreich behandelt einen zentralen Stolperstein in nanopore-Sequenzierung-Lesen einzelner Nukleotid-Basen in einer DNA-Kette. Lindsay ‚ s neueste experimentelle Ergebnisse, die zeigen, entscheidende Verbesserungen in der DNA liest, habe soeben erschien in der Zeitschrift Nanotechnology.

Sobald genaue Sequenzierung fällt unter die Schwelle von $1000 pro Genom sollte die Technologie allgegenwärtig geworden, nach vielen. Als Wissenschaft aktuelle übersicht andeutet, kann an diesem Tag in der Nähe von Zeichnung, als beide die Geschwindigkeit und die Kosten des ganzen Genoms Fortschritte an einem Tempo übersteigt Moores berühmtes Gesetz, (die vorschreibt, eine Verdoppelung der Rechenleistung-und die Halbierung der Kosten alle 18 Monate).

Die neueste technologische Wettbewerb bezieht die Idee des Durchzugs eines einzelnen Stranges von DNS durch ein winziges, im molekularen Maßstab öse bekannt als eine nanopore. Diese Strategie kann bald ermöglichen, die gesamte DNA-Sequenz werden in einem Rutsch Lesen, anstatt auseinander geschnitten, entziffert in kurze Fragmente und sorgfältig wieder zusammengesetzt.

Während die erste Sequenzierung des menschlichen Genoms nahm Forscher 13 Jahre und $3 Milliarden zu erreichen, unter Federführung des Human-Genom-Projekt , das Kunststück kann schnell erreicht werden, auf der blendenden Höhe von 6 Milliarden Nukleotid-Basen alle 6 Stunden zu einem Preis von $900. Das ist zumindest die extravaganten Anspruch von Oxford Nanopore Technologies, eine der bahnbrechenden Firmen fahren neue Sequenzierung Entwicklungen.

Da die scheinbar idealistische Idee des nanopore-Sequenzierung wurde ersten Gedanken bis in die Mitte der 1990er Jahre enorme Fortschritte gemacht wurden. Die grundlegende Idee ist, dass, wenn ein nanopore ist eingetaucht in eine leitende Flüssigkeit und eine Spannung über ihn, die Leitung von Ionen durch die nanopore erzeugt einen messbaren elektrischen Strom. Dieser Strom ist sehr empfindlich auf die Größe und Form der nanopore in Theorie und jedes Nukleotid base in der DNA-Faden wird behindert die nanopore wie Sie wandert, verändert sich der ionenstrom in eine erkennbare und reproduzierbare Art und Weise.

Die DNA – „Faden“ ist schwierig, material zu manipulieren, jedoch-so fein, dass es dauern würde, etwa 5000 DNA-Stränge nebeneinander gelegt, gleich der Breite eines menschlichen Haares. Die Suche nach einer passenden öse an diese Skala erwies sich als eine Herausforderung. Auf den ersten, porösen, Transmembran-Proteine, wurden erkundet. Alpha-hämolysin (aHL), ein Bakterium, die Ursachen Lyse der roten Blutkörperchen, schien ein besonders vielversprechender Kandidat, da das nanopore Durchmesser erforderlich für die DNA-Sequenzierung.

Seit dann, andere protein-basierte Portale für DNA wurden gebastelt und in jüngerer Zeit verschiedene „solid-state“ Nanoporen von Silizium oder Graphen untersucht worden. Diese können leicht fabriziert werden und Ihre Eigenschaften genauer kontrolliert.

Laut Wissenschaft ist die Beurteilung des aktuellen Standes der Technik, nanopore sequencing „scheint bereit, aus dem Labor,“ und der Traum von einem $1000 Genom kann in der Nähe bei der hand, aber die Probleme bleiben. Ein hartnäckiges problem in der Sequenzierung der einzelnen Basen wurde, dass Sie dazu neigen, um Strom durch die nanopore zu schnell zu lokalisieren jede Basis unabhängig. Stattdessen wird der gemessene Strom in frühen Experimenten spiegelt die Durchschnittliche produziert von einer Gruppe von Basen, wending Ihren Weg durch den tunnel.

Lindsay Technik beruht auf dem Lesen der elektrischen Strom in eine winzige Schaltung bestehend aus einem DNA-Nukleotid-gefangen zwischen zwei gold-Elektroden, die Spannweite einer nanopore. Die Elektroden sind durch Funktionalisierung der Spitze eines scanning-tunneling-microscope (STM), mit Molekülen, die die Bindung einzelner DNA-Basen, wie Sie stecken Ihre Köpfe durch die nanopore.

Anerkennung Tunneling, der name Lindsay gilt für seine sequencing-Methode, stützt sich auf die Ausstattung eines der beiden Elektroden sensing Chemikalien, die anderen mit die die Nukleotid-Gegner zu spüren. Ein signal wird erzeugt, wenn die Kreuzung zwischen dem erfassen chemischer und Ziel selbst aufbaut, schließen des Stromkreises.

In dieser Art der Kreuzung, wo die Längen trennen Elektroden sind auf molekularer Skala, können die Elektronen zeigen ein merkwürdiges Verhalten im Zusammenhang mit der subatomaren Welt der Quanten, „tunneling“ durch Barrieren unter Bedingungen unzulässig, die von der klassischen Physik. In einem solchen Szenario, jedes der 4 Nukleotide herstellen sollte, eine Signatur-tunneling-Strom, die verwendet werden können, um die Sequenz von DNA-Basis-by-base, wie es ernährt sich seinen Weg durch die nanopore. Trapping jede Basis momentan die Zeit erlaubt für eine genaue Identifizierung, bevor es freigegeben wird und der DNA-Faden setzt seine Auswanderung durch das nanopore.

Ersetzen Ionischen Stromfluss mit tunneling Strom kann potenziell zu verbessern Sequenzierung Auflösung erheblich und in Ihrer neuesten Arbeit, Lindsay-Gruppe zeigt, dass die multiparameter-Analyse der aktuellen spikes produziert von tunneling kann in der Tat zu identifizieren jede DNA-base ist vorübergehend angeheftet durch Wasserstoffbrücken zwischen den funktionalisierten Elektroden.

Es gibt noch mehr.

Neben der Lokalisierung von Nukleotid-Identität mit größer als 90 Prozent Genauigkeit, die Technik erlaubt auch die Umwelt-gen-Modifikationen identifiziert werden, zum Beispiel durch Methylierung. Dies stellt einen großen Fortschritt für die Sequenzierung, die als solche epigenetischen Veränderungen auf das Genom haben tief greifende Auswirkungen für die Studie der menschlichen Gesundheit und der Krankheit, einschließlich embryonale und postnatale Entwicklung, und Krebs.

Die Nanotechnologie Papier beschreibt einen neuen Ansatz für die Analyse der tunneling-Signale. Die Lindsay-Gruppe verwendet machine learning (den Prozess von IBM ‚ s Watson zu gewinnen bei Jeopardy) zu trainieren, einen computer zu erkennen, die DNA-Basen. Die Maschine rief alle vier Basen (A,T,C und G) sowie die „fünfte base“-methyl – führt, dass der epigenetische code, mit 96 Prozent accurarcy auf ein einzelnes Molekül zu Lesen.

„Oxford Nanopore eine hat einen enormen Durchbruch in nanopore-sequencing mit Ionen-Strom, wie hervorgehoben in der NEWSFOCUS Geschichte,“ Lindsay sagt. „Aber wir denken, können wir sogar noch mehr zum Tabelle mit der supersensitivity und Chemische Auflösung von Anerkennung Tunneling.“

Roche Pharmaceuticals hat vor kurzem eine Lizenz für die Technologie.

Die high-stakes-Rennen für die schnelle Sequenzierung scheint in der Zielgeraden, zwar neue überraschungen sind wahrscheinlich vor der Ziellinie. Sobald es überschritten wird, ist die ära der personifizierten Medizin angekommen. Viele neue Erkenntnisse über die genomischen Grundlagen von Gesundheit und Krankheit sind fast sicher zu Folgen.

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