DNA-Sequenzierung im Handumdrehen

Eine neuartige Sequenzierungstechnologie, die von einem Startup in Massachusetts entwickelt wird, ermöglicht es Wissenschaftlern, die Sequenz eines DNA-Moleküls zu fotografieren. William Glover , Präsident von ZS Genetik , mit Sitz in North Reading, MA, sagt, dass sein Ansatz es Wissenschaftlern ermöglichen wird, lange DNA-Abschnitte zu lesen, was die Sequenzierung von schwer lesbaren Bereichen wie sich stark wiederholenden Regionen in Pflanzen und einigen Teilen des menschlichen Genoms ermöglicht. Längere Sequenzen ermöglichen es Wissenschaftlern auch, zwischen mütterlichen und väterlichen Chromosomen zu unterscheiden, die wichtige diagnostische Anwendungen haben könnten.



Die Reihenfolge sehen: Dieses Bild zeigt einen Cluster von DNA-Molekülen (schwarze Stränge), die mit Basen synthetisiert wurden, die speziell markiert sind, um unter einem Elektronenmikroskop sichtbar zu sein. Wissenschaftler verwenden diese Technik, um eine neuartige Sequenzierungstechnologie zu entwickeln.

Wissenschaftler auf einer kürzlich in San Diego veranstalteten Sequenzierungskonferenz, bei der erstmals Details der Technologie vorgestellt wurden, waren von dem Ansatz fasziniert, da er sich völlig von selbst den neuesten Methoden auf dem Markt unterscheidet. Es ist überraschend und potenziell sehr mächtig, sagt Wladimir Benes , Leiter der Genomics Core Facility am European Molecular Biology Laboratory in Deutschland.





Die Kosten für die DNA-Sequenzierung sind seit der Fertigstellung eines Arbeitsentwurfs des menschlichen Genoms im Jahr 2001 stark gesunken. Die meisten der neuesten Technologien erzeugen derzeit sehr kurze Sequenzen, etwa 30 bis 150 Basenpaare, die dann mit einer speziellen Software zusammengefügt werden. Aber diese Methode erfasst nicht immer alle Informationen im Genom, und einige Teile des Genoms sind auf diese Weise schwer zu sequenzieren, sagt Glover.

ZS Genetics ist ein relativer Neuling auf diesem Gebiet und verwendet einen ganz anderen Ansatz: die Elektronenmikroskopie. Glover prognostiziert, dass die Technologie des Unternehmens bis zum nächsten Jahr in der Lage sein wird, lesbare DNA-Längen zu erzeugen, die Tausende von Basenpaaren lang sind, und er glaubt, dass sich die Sequenzierungsmethode von ZS Genetics in den nächsten Jahren um den Faktor 10 verbessern wird. wodurch sich die Teile noch einfacher zusammenbauen lassen. Das Unternehmen wurde kürzlich als eines der Teams in den Archon X Prize for Genomics aufgenommen, eine Auszeichnung in Höhe von 10 Millionen US-Dollar für das erste privat finanzierte Team, das 100 menschliche Genome in 10 Tagen sequenzieren kann.

Jede Technologie, die die Leselänge in den Bereich von 1.000 Basenpaaren bringen kann, wird definitiv, zumindest für die De-novo-Sequenzierung, einen großen Durchbruch darstellen, sagt Benes. Er sagt, dass der Ansatz besonders nützlich sein könnte, um die Genome von Pflanzen zu sequenzieren, die oft hochkomplexe Genome haben, die mit repetitiven Sequenzen übersät sind, die rechnerisch schwer zusammenzusetzen sind.



Mit einer Breite von 2,2 Nanometern ist DNA unter einem durchschnittlichen Lichtmikroskop unsichtbar.

Aber Elektronenmikroskope, die den Ladungsunterschied zwischen Atomen erkennen, haben eine Auflösung im Subnanometerbereich. Während der natürlichen DNA-Sequenz nicht genügend Kontrast fehlt, um mit Elektronenmikroskopie aufgelöst zu werden, entwickelten Glover und seine Kollegen ein neuartiges Markierungssystem, um die Moleküle besser sichtbar zu machen.

Die Forscher synthetisieren einen neuen komplementären Strang des zu sequenzierenden Moleküls unter Verwendung von Basen – den Buchstaben, aus denen die DNA besteht –, die mit Jod und Brom markiert sind. Die markierten Basen erscheinen unter dem Elektronenmikroskop entweder als große oder kleine Punkte, sodass die Wissenschaftler die Sequenz lesen können. (Drei verschiedene Markierungen werden benötigt, um die Sequenz der vier in der DNA gefundenen Basen zu lesen. Drei der Basen haben unterschiedliche Markierungen; die vierte bleibt einfach unmarkiert.)

Das Substrat, auf dem die neu markierten Moleküle abgebildet werden, wird unter Verwendung von Halbleiterfertigungstechniken hergestellt. Wissenschaftler erzeugen Siliziumwafer mit einem 11 Nanometer dicken Fenster, das dünn genug ist, damit der Elektronenstrahl des Mikroskops das DNA-Molekül vom Substrat unterscheiden kann. ZS Genetics arbeitet auch daran, noch dünnere Wafer herzustellen, um die Auflösung des Bildes zu erhöhen.



DNA neigt dazu, sich zu einer verworrenen Masse zusammenzurollen, daher bestand eine der größten Herausforderungen darin, diese Kugel in lineare Stränge zu entwirren, die gelesen werden können. Forscher fließen zunächst Flüssigkeit durch ein Mikrofluidikgerät mit winzigen Kanälen. Dieses Gerät passt auf den DNA-beschichteten Wafer. Die Kraft der Strömung dehnt die DNA-Moleküle, die dann am Silizium haften bleiben. Ein Elektronenstrahl wird durch den Wafer geschossen und eine Kamera nimmt das Bild von der anderen Seite auf. Der Wafer ist laut Glover das wichtigste proprietäre Verbrauchsmaterial. Es wird spottbillig.

Gestreckt sieht die DNA wie eine Leiter aus, deren Basen die Sprossen bilden. Bisher hat das Unternehmen Bilder eines 23-Kilobasen-DNA-Stücks veröffentlicht, bei dem eine einzige Art von markierter Base verwendet wurde. Glover sagt, dass er und sein Team auch Multilabel-Sequenzierungen durchgeführt haben, obwohl er sich weigerte, weitere Details zu nennen.

Dennoch hat die Technologie noch einen Weg vor sich, bevor sie marktreif ist. Viele Proof-of-Principle-Methoden können in der Forschung und Entwicklung funktionieren, aber sie auf den Markt zu bringen, ist nicht trivial, sagt Benes. Glover will diesen Sommer einen Prototyp haben, den Wissenschaftler testen können, und ein schnelleres kommerzielles System im nächsten Jahr. Er fügt hinzu, dass es einfach und kostengünstig sein wird, das System mit neuen Kameras und Software aufzurüsten, da der Großteil des Systems auf vorhandenen Technologien beruht.

chinesische mondlandung glasstrukturen

Längere Lesevorgänge werden es Wissenschaftlern ermöglichen, Sammlungen von genetischen Variationen zu betrachten, die zusammen vererbt wurden, die als Haplotypen bekannt sind. Diese Art der Analyse kann feststellen, ob eine bestimmte genetische Variation von der Mutter oder dem Vater des Individuums weitergegeben wurde. Neuere Forschungen deuten darauf hin, dass in einigen Fällen die mütterliche oder väterliche Vererbung die Schwere der Krankheit beeinflussen kann, ein Phänomen, das häufiger auftritt als bisher angenommen.

verbergen

Tatsächliche Technologien

Kategorie

Unkategorisiert

Technologie

Biotechnologie

Technologierichtlinie

Klimawandel

Mensch Und Technik

Silicon Valley

Computer

Mit News Magazine

Künstliche Intelligenz

Platz

Intelligente Städte

Blockchain

Reportage

Alumni-Profil

Alumni-Verbindung

Mit News Feature

1865

Meine Sicht

77 Mass Avenue

Treffen Sie Den Autor

Profile In Großzügigkeit

Auf Dem Campus Gesehen

Lerne Den Autor Kennen

Alumni-Briefe

Nicht Kategorisiert

77 Massenallee

Rechnen

Tech-Richtlinie

Lernen Sie Den Autor Kennen

Nachrichten

Wahl 2020

Mit Index

Unter Der Kuppel

Feuerwehrschlauch

Unendliche Geschichten

Pandemie-Technologieprojekt

Vom Präsidenten

Titelstory

Fotogallerie

Empfohlen