In situ extractie en detectie van DNA met behulp van nanoporiën

Het kunnen detecteren van DNA uit een enkele cel is belangrijk voor het opsporen van ziekten en genetische aandoeningen. Het meten van enkelvoudige DNA-moleculen is al geruime tijd mogelijk; het direct detecteren van monsters op het extractiepunt zonder dat er vervolgstappen nodig zijn, is echter niet het geval. Nu hebben onderzoekers van SANKEN, Osaka University een methode aangetoond om DNA op het meetpunt vrij te geven. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Kleine methoden.

Nanoporiën zijn zeer kleine gaatjes die in de biologie worden gevonden of die speciaal kunnen worden ontworpen. Er zijn spannende vorderingen gemaakt bij het gebruik van nanoporiën als toegangspoorten die nauwlettend toezicht mogelijk maken als moleculen één voor één passeren. De individuele DNA-basen die door een porie gaan, zijn bijvoorbeeld geïdentificeerd, waardoor sequencing van het hele genoom mogelijk is.

Ondanks deze opmerkelijke stappen bij de detectie van enkelvoudige moleculen, was het echter nodig om de concentratie van DNA-monsters te verhogen voor een succesvolle meting, omdat er geen manier was om de moleculen op betrouwbare wijze naar de meetporie te krijgen.

De onderzoekers hebben een 3D-geïntegreerde nanoporie gemaakt die cellen vlak voor de meting kan scheuren. De vrijgekomen moleculen kunnen efficiënt worden afgeleverd in de detectiezone en worden gemeten zonder dat er verdere stappen hoeven te worden ondernomen die fouten kunnen introduceren.

“Onze sensor heeft twee belangrijke onderdelen. De eerste is een laag die talloze gaten bevat die veel kleiner zijn dan een cel. Een elektrostatisch veld wordt gebruikt om de cel te scheuren en bepaalde vrijgekomen stoffen kunnen door gaten gaan, terwijl grotere brokstukken dat niet kunnen, wat in wezen zorgt voor een filter”, legt studie eerste auteur Makusu Tsutsui uit. “Onder deze filterlaag, gescheiden door een spacer, zit een enkele nanoporie in een tweede membraan, waar de metingen worden gedaan.”

Wanneer een spanning wordt aangelegd, vloeit er een stroom door de porie vanwege zoutionen in de omringende oplossing. Deze stroom wordt gedeeltelijk geblokkeerd wanneer ook grote DNA-moleculen door de porie gaan, en de veranderingen geven informatie over de grote moleculen. Bijvoorbeeld of het molecuul – dat millimeters lang kan zijn – is gevouwen.

“Het filterende effect van onze 3D-geïntegreerde nanoporie voorkomt verstopping van de meetporie, waardoor deze robuust in gebruik is”, zegt studie corresponderende auteur Tomoji Kawai. “We verwachten daarom dat het zal worden gebruikt in nieuwe technologieën voor het snel detecteren van mutante virussen op genoomniveau.”