(PhysOrg.com) - O sequenciamento mais rápido de DNA possui um enorme potencial para biologia e medicina, particularmente para diagnóstico personalizado e tratamento personalizado com base na composição genômica de cada indivíduo. No momento, no entanto, a tecnologia de sequenciamento permanece complicada e com custo proibitivo para a maioria das aplicações clínicas, embora isso possa estar mudando, graças a uma gama de novas técnicas inovadoras.

Na edição atual de Ciência , Stuart Lindsay, diretor do Centro de Biofísica de Molécula Única da Arizona State University no Biodesign Institute, junto com seus colegas, demonstra o potencial de um desses métodos em que uma fita de DNA de fita simples é passada através de um nanotubo de carbono, produzindo picos de voltagem que fornecem informações sobre a passagem de bases de DNA à medida que passam pelo tubo - um processo conhecido como translocação.

Os nanotubos de carbono são versáteis, estruturas cilíndricas usadas em nanotecnologia, eletrônicos, ótica e outros campos da ciência dos materiais. Eles são compostos de alótropos de carbono - arranjos variados de átomos de carbono, exibindo propriedades únicas de resistência e condutividade elétrica.

Métodos tradicionais de leitura do script genético, composto por quatro bases de nucleotídeos, adenina, timina, citosina e guanina (marcados com A, T, C, &G), normalmente dependem da fragmentação da molécula de DNA em centenas de milhares de pedaços, lendo essas seções abreviadas e, finalmente, reconstruindo a sequência genética completa com a ajuda de um grande poder de computação. Uma década atrás, o primeiro genoma humano - uma sequência de mais de 3 bilhões de pares de bases químicas - foi decodificado com sucesso, em um tour de force biológico. O empreendimento exigiu cerca de 11 anos de árduo esforço a um custo de US $ 1 bilhão. Além da laboriosidade das técnicas existentes, a precisão está comprometida, com erros se acumulando em proporção ao número de fragmentos a serem lidos.

Uma nova estratégia envolve o uso de nanoporos - orifícios de diâmetro molecular que conectam dois reservatórios de fluido. Uma voltagem constante pode ser aplicada entre dois eletrodos localizados em cada extremidade do nanopore, induzindo uma corrente iônica a fluir através do comprimento do canal fechado do nanopore. Nesta escala, a passagem de até mesmo uma única molécula gera uma mudança detectável no fluxo de corrente iônica através do poro. Essa corrente é então amplificada e medida eletronicamente. Apenas recentemente as técnicas de microfabricação de ponta permitiram aos pesquisadores construir nanoporos na escala de moléculas individuais, abrindo muitas novas possibilidades para a manipulação e pesquisa de uma única molécula.

No estudo atual, nanotubos de carbono de parede única, 1-2 nm de diâmetro, foram usados ​​para os canais de condução. Quando uma corrente foi induzida através do nanotubo, segmentos de DNA de fita simples (conhecidos como oligômeros) compostos por 60 ou 120 nucleotídeos, foram atraídos para a abertura do nanotubo e translocados do lado do ânodo do nanotubo para o lado do cátodo de saída, devido à carga negativa transportada pela molécula de DNA. A velocidade de translocação do DNA depende da estrutura do nucleotídeo e do peso molecular da amostra de DNA.

Os nanotubos de carbono foram cultivados em um wafer de silício oxidado. Os resultados indicam que entre os nanotubos formados com sucesso - aqueles totalmente abertos e sem vazamento ao longo de seu comprimento - um aumento acentuado na atividade elétrica é detectado durante o processo de translocação do DNA. Avançar, inverter a polarização dos eletrodos faz com que os picos de corrente desapareçam; restaurar o viés original fez com que os picos reaparecessem.

Lindsay enfatiza que os pulsos de corrente transitória, cada um contendo cerca de 10x7 cargas, representam uma enorme amplificação da carga translocada. Uma técnica conhecida como reação em cadeia da polimerase quantitativa (qPCR) foi usada para verificar se os nanotubos de carbono específicos exibindo esses picos de corrente anormalmente acentuados - cerca de 20 por cento da amostra total, foram, de fato, aqueles por meio dos quais ocorreu a translocação de DNA.

A equipe realizou simulações moleculares para tentar determinar o mecanismo para as correntes iônicas anormalmente grandes detectadas nos nanotubos. A observação das curvas de corrente-tensão registradas em várias concentrações iônicas mostrou que o movimento de íons através de alguns dos tubos é muito incomum, embora compreender o mecanismo preciso pelo qual a translocação de DNA dá origem aos picos de corrente observados exigirá modelagem adicional. No entanto, o sinal elétrico característico de translocação de DNA através de tubos com alta condutância iônica pode fornecer um refinamento adicional nos esforços em curso para aplicar a tecnologia de nanopore para sequenciamento rápido de DNA.

Fundamental para o sucesso do sequenciamento rápido através dos nanoporos é o controle preciso da translocação do DNA. A esperança é que a leitura genética possa ser significativamente acelerada, enquanto ainda dá tempo suficiente para as bases de DNA serem identificadas por traços de corrente elétrica. Os nanotubos de carbono fornecem uma alternativa atraente, tornando o controle das características dos nanoporos mais fácil e confiável.

Se o processo pode ser aperfeiçoado, Lindsay enfatiza, O sequenciamento de DNA pode ser realizado milhares de vezes mais rápido do que através dos métodos existentes, por uma fração do custo. Realizar o objetivo de um genoma de um paciente para a medicina personalizada forneceria informações diagnósticas essenciais e ajudaria a criar tratamentos individualizados para uma ampla gama de doenças.