Os pesquisadores da CU Boulder estão desenvolvendo novas técnicas para, mais rapidamente, sequenciamento de DNA de molécula única mais econômico que pode ter impactos transformadores na triagem genética, abrindo caminho para avanços no desenvolvimento de vacinas, detecção precoce do câncer e transplantes de órgãos.

Os novos métodos - um dos quais é baseado em eletrônica quântica em nanoescala e outro em óptica - podem um dia permitir que uma pessoa sequencie seu genoma em menos de dois minutos usando um equipamento simples, disse Prashant Nagpal, um professor assistente no Departamento de Engenharia Química e Biológica da CU Boulder.

"Estamos explorando métodos únicos de fornecer dados precisos, informações genéticas úteis mais rápidas e mais baratas, "disse Nagpal.

Sequenciamento de DNA, que determina a ordem precisa dos nucleotídeos contidos nas moléculas biológicas, pode ser usado para mapear genes individuais ou regiões genéticas inteiras. Desde a sua criação na década de 1950, sequenciamento foi incorporado à medicina, biologia evolutiva e outros campos biocientíficos, ao mesmo tempo em que aumenta a velocidade e o poder de processamento em ordens inteiras de magnitude.

Nagpal descreve sua nova pesquisa como uma reimaginação oportuna de uma tecnologia que existe há décadas, mas esbarrou em limitações fundamentais nos últimos anos.

"O genoma humano consiste em mais de 3 bilhões de pares de bases de DNA, "disse Nagpal." Atualmente, o sequenciamento depende da amostragem de 20 a 30 desses pares por vez, o que é bom ter, mas não posso dizer muito. "

O método de amostragem atual, Nagpal diz, abre a possibilidade de erros de replicação no conjunto de dados maior que podem ignorar marcadores de granulação fina no perfil genético de uma pessoa. Amostragem de molécula única, ele diz, oferece uma imagem mais precisa.

Nagpal e sua equipe recorreram à eletrônica quântica para obter a solução. Eles enviam uma pequena carga através de uma molécula de DNA ou RNA, e registrar medições de todos os nucleotídeos em moléculas únicas. A sequência identificou os nucleotídeos com 99,7 por cento de precisão, acima de 80 por cento alcançado por outros métodos de nanotecnologia.

Os avanços no sequenciamento baseado em quantum foram descritos recentemente nos periódicos ACS Nano e Jornal da American Chemical Society . O W.M. A Fundação Keck forneceu suporte para todas as pesquisas de sequenciamento de molécula única.

Nagpal também tem desenvolvido um método baseado em óptica para sequenciamento de molécula única que usa um laser de diodo e uma câmera comparável a de um smartphone comum para identificar rapidamente sequências de nucleotídeos. Por causa de suas propriedades físicas únicas como partícula e onda, a luz é um meio mais ágil de reunir informações e transmiti-las de forma compactada.

Em um artigo a ser publicado atualmente no jornal Pequena , Nagpal e seus colegas demonstraram que um método de sequenciamento de alto rendimento pode ser massivamente paralelizado usando uma matriz de chips de dois milímetros que pode levar segundos em vez de horas.

"Com este método de sequenciamento de blocos, você não precisa nem mesmo sequenciar no nível de letras únicas como A, C, G e T, "disse Nagpal." Você pode extrapolar a mesma informação mais rápido, semelhante a como você assiste a uma versão compactada de um filme no YouTube ou Netflix. "

A pesquisa ainda está nos estágios iniciais, and Nagpal says that the next step would be to apply the sequencing methods to more complex bacterial samples. No futuro, he envisions a portable DIY sequencing kit that would cost around $1. A person could take a DNA swab, put it onto the microchip and wait 100 seconds to receive data that could reveal potentially risky genetic markers for cancer, por exemplo, or provide crucial information for doctors attempting to match organs to transplant recipients.

"At scale, the potential applications are tremendous, " said Nagpal. "From identifying antibiotic resistance to accelerating drug discovery, improvements in the speed and accuracy of sequencing could be transformative to many scientific fields."

Other co-authors on these single-molecule sequencing methods include Lee Korshoj, Sepideh Afsari, Manjunatha Sagar, Gary Abel and Assistant Professor Anushree Chatterjee, all of CU Boulder's Department of Chemical and Biological Engineering.