Neues Gen Sequenzierung Methode könnte Kosten senken, erhöht Geschwindigkeit

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Die ersten menschlichen Genoms dauerte 13 Jahre und $ 3 Milliarden zu produzieren. Heute können Genetiker in einer Angelegenheit von Monaten, für einen Bruchteil der Kosten die gleiche Informationen generieren.

Als "Next-Generation" gen-Sequenzer beginnen, ihre Marke auf die Life Sciences machen, sind Teams auf der ganzen Welt Rennen, um neue und verbesserte DNA-Sequenzer zu entwickeln, die einen Strang von Nukleotidbasen aufnehmen und direkt "lesen" eine Person, die genetischen Code für weniger als $1.000.

Die medizinische Gemeinschaft sagt voraus, dass das Aufkommen des persönlichen Genoms $1000 zu erheblichen Veränderungen im Verständnis und der Behandlung der Krankheit führt. Forscher werden weit verbreitete Vergleichsstudien zur Krankheit auf Genexpression korrelieren durchführen können. Chemiker design werden genetisch zielgerichtet Drogen, und Ärzte werden medizinische Behandlungen auf bestimmte genetische Disposition des Patienten liefern.

Aleksei Aksimentiev, eine rechnerische Physiker an der Universität von Illinois Urbana-Champaign (UIUC) arbeitet daran, um eine neue Art von Sequenzer zu entwickeln, die dem Traum von der $1000-Genom wird Wirklichkeit werden zu lassen.

Der Sequencer verwendet ein elektrisches Feld, um einen DNA-Strang durch ein kleines Loch oder "Nanopore," in einer Membran zu fahren. Wenn dieser Vorgang gesteuert werden kann, werden der Sequencer Basenpaare in der Reihenfolge zu lesen, durch die Messung der Stromänderung, wie jedes Paar durch das Loch in der Membran bewegt.

Ein tolles Konzept – aber funktioniert es?

Noch nicht nach Aksimentiev. Die Versuchsanordnungen der diese Sequenzer sind geplagt von verrauschte Signale, Blockaden und DNA-Basenpaare, die die Pore zu schnell durchlaufen.

"Dieses intuitiv einfache körperliche Bild nicht in der Praxis gelten", sagte Aksimentiev.

Da Experimente nicht genau was los ist im Inneren ein Nanopore zeigen können, Aksimentiev Atom für Atom-Modelle der Nanopore Entwürfe produziert und stellen sie in Bewegung mit der National Science Foundation geförderte Ranger Supercomputer an der Texas Advanced Computing Center (TACC). Seine Simulationen zeigten die atomarer Ebene Bewegungen der DNA als es kroch durch ein Nanopore, was zu Einblicke, wie zur Verbesserung der Gestaltung des Systems.

"Die Simulationen erklären, welche Prozesse die Signale hervorrufen können wir messen," sagte er.
Aksimentiev entdeckte, dass die Grundvoraussetzung für die DNA-Sequenzierung direkt ist an den Strang in die Pore zu halten lange genug, um die Sequenz ausgelesen.

"Wenn die DNA zu schnell bewegt sich dann man das Signal, den Unterschied zwischen der Basenpaare unterscheiden nicht lesen kann," sagte er. "Wir müssen einen Weg finden, die DNA zu fangen."

Aksimentiev und seine Kollegen glauben, dass sie einen Weg gefunden habe.

Wenn DNA in Kontakt mit einem elektrischen Feld, erstreckt er sich. Anwendung dieses Feld auf der einen Seite der Membran zwingt die Stränge in eine Pore kleiner, als es in der Regel passen würde. Deaktivieren das Feld auf der anderen Seite bewirkt, dass die DNA zu entspannen und das Molekül in das Loch fallen. Durch pulsierende Feld, Dehnung und Entspannung der DNS, bewegt der Strang, Basis von Basis durch die Pore mit einer Geschwindigkeit langsam genug, um klar zu lesen.

Das Team im Jahr 2009 für ihr Design des ersten Nanopore Sequenzers doppelsträngige DNA aufnehmen für eine vorläufige Patent eingereicht. {{video = "LS_100709_dna-Nanopore" Title = "neue Gen Sequenzierung Werkzeug bewegt sich DNA mit elektrischen Feldes" Caption = "Forscher entwickeln eine neue Methode um das menschliche Genom zu sequenzieren. Der Sequencer verwendet ein elektrisches Feld, um einen DNA-Strang durch ein kleines Loch oder "Nanopore," in einer Membran zu fahren. Kredit: Aleksei Aksimentiev, University of Illinois at Urbana-Champaign "}}

High-Performance-computing-Systeme sind für diese Art der Forschung erforderlich wegen der Präzision zu unterscheiden, die vier DNA-Nukleotide, die sich durch nur wenige Atome unterscheiden.

"Dr." Aksimentiev Simulationen sind unsere Augen", sagte Greg Timp, Aksimentievs Mitarbeiter und Professor für Elektrotechnik an der University of Notre Dame. "Wir können nicht ohne sie sehen."

Aksimentiev verbesserte Nanopore Designs versprechen eine drastische Senkung der Kosten der Gensequenzierung und eine entsprechende Erhöhung der Geschwindigkeit. Die Entwicklung von solch einem Sequenzer hätten wichtige Konsequenzen für die menschliche Gesundheit, Medizin und Biologie.

"Es wird einen spürbaren Einfluss auf die Art und Weise wir verstehen und behandeln Krankheiten haben", sagte Aksimentiev. "Jeder würde ihrer DNA-Sequenz leisten können."

Wenn das klingt wie Science-Fiction, müssen Sie nicht lange warten, um herauszufinden, wie sich herausstellt. Das National Institute of Health (NIH) hat ein Ziel, eine $1.000 Genom mit Nanopore Sequenzern bis 2013 gesetzt.

Bald haben wir alle Zugang zu unserer Erbinformation. Was wir mit diesem Wissen tun, bleibt abzuwarten.

Diese Arbeit wird unterstützt durch Zuschüsse aus NIH "Revolutionäre Genome Sequencing Technologien" Programm und NSF "Physics Frontier Center" zu gewähren in Unterstützung der Mittelpunktes für die Physik von lebenden Zellen.

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Anmerkung der Redaktion: Diese Forschung wurde unterstützt durch die National Science Foundation (NSF), die Bundesagentur für angeklagt Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Sehen den Blick hinter die Kulissen-Archiv.