Glazen nanoporie trekt DNA als spaghetti door een naald

DNA-sequencing is zo gewoon geworden dat slechts weinigen beseffen hoe moeilijk het is om zelfs maar een enkel DNA-molecuul uit een biologisch monster te extraheren.

Onderzoek onder leiding van UC Riverside maakt het gemakkelijker om DNA te detecteren en vast te leggen uit vloeistofmonsters zoals bloed met behulp van een kleine glazen buis en elektrische stroom. De techniek, beschreven in het tijdschrift Nanoschaal, kan ook de diagnose van kanker in de toekomst verbeteren.

DNA, een dubbelstrengs, elektrisch geladen molecuul dat alle informatie bevat die een organisme nodig heeft om de bouwstenen van het leven te creëren en te organiseren, zit strak gevouwen in de celkern. Het extraheren van het DNA uit een enkele cel is tijdrovend en onpraktisch voor veel medische en wetenschappelijke doeleinden. Gelukkig, als cellen van nature afsterven, barsten hun membranen, waardoor de inhoud vrijkomt, inclusief DNA. Dit betekent dat een bloedmonster bijvoorbeeld veel strengen vrij zwevend DNA bevat die in theorie gemakkelijker in kwantiteit te identificeren en te extraheren zouden moeten zijn.

Scavenger-cellen, macrofagen genaamd, die cellulair afval opruimen, vernietigen echter het meeste celvrije DNA, waardoor het in lage concentraties in het bloed achterblijft. De meeste benaderingen voor het vastleggen van celvrij DNA vereisen dure technieken die eerst de moleculen concentreren voordat fluorescerende kleurstoffen worden gebruikt om het DNA te helpen zien.

Corresponderende auteur Kevin Freedman, een assistent-professor bio-engineering aan UC Riverside’s Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering, leidde een poging om de detectie en het vastleggen van DNA bij lagere concentraties te verbeteren door een elektrische lading te gebruiken om een ​​DNA-monster rechtstreeks in een glazen buis te leiden met een kleine opening genaamd een nanoporie. Nanopore-detectie is naar voren gekomen als een snelle, betrouwbare en kosteneffectieve diagnosetool in verschillende medische en klinische toepassingen.

“We weten dat als je spanning over een celmembraan legt, ionen door de poriën in het celmembraan gaan”, zei Freedman. “DNA reist ook met het elektrische veld mee, en we kunnen het gebruiken om het DNA te verplaatsen.”

De onderzoekers stopten een positieve elektrode in een glazen buis met een opening, of porie, 20 nanometer breed – iets groter dan een DNA-molecuul, maar te klein om cellen binnen te laten. Ze pasten een elektrisch potentieel toe op de nanoporie, die werd ondergedompeld in een flesje met een DNA-monster en een negatieve elektrode. Het celvrije DNA trok de porie in en blokkeerde deze. De verandering in elektrische stroom terwijl het DNA door de porie reisde, stelde de onderzoekers in staat het te detecteren.

‘Het is alsof je spaghetti door een naald probeert te halen,’ zei Freedman. “Om door de porie te gaan, moet het bijna perfect lineair zijn.”

Hoe dichter bij het vloeistofoppervlak de onderzoekers de porie vasthielden, hoe meer DNA het opnam.

“Verbazingwekkend genoeg ontdekten we dat DNA zich ophoopt aan de vloeistof-lucht grensvlakken. Als er een koellaag is, zal het DNA proberen naar de koelere locatie te gaan,” zei Freedman. “We hopen dat hetzelfde geldt voor een bloedmonster, zodat hetzelfde mechanisme kan worden gebruikt om DNA nabij het oppervlak te concentreren. Dit is niet alleen gunstig, maar deze strategie voor het detecteren van nanoporiën vertoonde een hogere signaal-ruisverhouding nabij het oppervlak. ook. Het is echt een win-winsituatie. “

Met enkele verfijningen denken de auteurs dat hun puur elektrische techniek kan helpen bij het diagnosticeren van sommige soorten kanker op basis van een enkel bloedmonster. Naast DNA komen bij de groei van tumoren blaasjes vrij in de bloedbaan. Deze minidruppeltjes op lipidenbasis kunnen worden gezien als minicellen die identiek zijn aan de oorspronkelijke kankercellen en kunnen ook worden gedetecteerd door nanoporiëndetectie.

Gezien alle unieke kenmerken van deze puur elektrische techniek, heeft het nanoporie-detectiesysteem het potentieel om in de toekomst te worden gebruikt als diagnostische testevaluatie op het punt van zorg.

Het artikel is getiteld “Het meten van ingesloten DNA aan het vloeistof-lucht grensvlak voor verbeterde detectie van enkelvoudige moleculen.”