(PhysOrg.com) - La secuenciación más rápida del ADN tiene un enorme potencial para la biología y la medicina, particularmente para el diagnóstico personalizado y el tratamiento personalizado basado en la composición genómica de cada individuo. Sin embargo, en la actualidad La tecnología de secuenciación sigue siendo engorrosa y tiene un costo prohibitivo para la mayoría de las aplicaciones clínicas. aunque esto puede estar cambiando, gracias a una gama de nuevas técnicas innovadoras.

En el número actual de Ciencias , Stuart Lindsay, director del Centro de Biofísica de Moléculas Únicas de la Universidad Estatal de Arizona en el Instituto Biodesign, junto con sus compañeros, demuestra el potencial de uno de esos métodos en el que una cinta de ADN de una sola hebra se pasa a través de un nanotubo de carbono, produciendo picos de voltaje que proporcionan información sobre el paso de las bases de ADN a medida que pasan a través del tubo, un proceso conocido como translocación.

Los nanotubos de carbono son versátiles, estructuras cilíndricas utilizadas en nanotecnología, electrónica, óptica y otros campos de la ciencia de los materiales. Están compuestos de alótropos de carbono:arreglos variados de átomos de carbono, exhibiendo propiedades únicas de resistencia y conductividad eléctrica.

Métodos tradicionales de lectura del guión genético. compuesto por cuatro bases de nucleótidos, adenina, timina, citosina y guanina (etiquetadas A, T, C, &G), normalmente se basan en triturar la molécula de ADN en cientos de miles de piezas, leyendo estas secciones abreviadas y, finalmente, reconstruir la secuencia genética completa con la ayuda de una potencia informática masiva. Una década atrás, el primer genoma humano, una secuencia de más de 3 mil millones de pares de bases químicas, se decodificó con éxito, en un tour de force biológico. La empresa requirió alrededor de 11 años de arduo esfuerzo a un costo de $ 1 mil millones. Además de la laboriosidad de las técnicas existentes, la precisión está comprometida, con errores que se acumulan en proporción al número de fragmentos a leer.

Una nueva estrategia implica el uso de nanoporos, orificios de diámetro molecular que conectan dos depósitos de fluidos. Se puede aplicar un voltaje constante entre dos electrodos ubicados en cualquier extremo del nanoporo, induciendo una corriente iónica a fluir a través de la longitud del canal cerrado del nanoporo. A esta escala, el paso de incluso una sola molécula genera un cambio detectable en el flujo de corriente iónica a través del poro. Luego, esta corriente se amplifica y mide electrónicamente. Solo recientemente, las técnicas de microfabricación de vanguardia han permitido a los investigadores construir nanoporos a escala de moléculas individuales. abriendo muchas posibilidades nuevas para la manipulación y la investigación de una sola molécula.

En el estudio actual, nanotubos de carbono de pared simple, 1-2 nm de diámetro, se utilizaron para los canales conductores. Cuando se indujo una corriente a través del nanotubo, segmentos de ADN monocatenario (conocidos como oligómeros) compuestos por 60 o 120 nucleótidos, se introdujeron en la abertura del nanotubo y se trasladaron del lado del ánodo del nanotubo al lado del cátodo de salida, debido a la carga negativa que porta la molécula de ADN. La velocidad de la translocación del ADN depende tanto de la estructura de nucleótidos como del peso molecular de la muestra de ADN.

Los nanotubos de carbono se cultivaron en una oblea de silicio oxidado. Los resultados indican que entre los nanotubos formados con éxito, aquellos completamente abiertos y sin fugas a lo largo de su longitud, se detecta un pico agudo en la actividad eléctrica durante el proceso de translocación del ADN. Más lejos, invertir la polarización de los electrodos hace que desaparezcan los picos de corriente; restaurar el sesgo original hizo que reaparecieran los picos.

Lindsay enfatiza que la corriente transitoria pulsa, cada uno contiene aproximadamente 10x7 cargas, representan una enorme amplificación de la carga translocada. Se utilizó una técnica conocida como reacción cuantitativa en cadena de la polimerasa (qPCR) para verificar que los nanotubos de carbono particulares que muestran estos picos de corriente anormalmente agudos, alrededor del 20 por ciento de la muestra total, eran de hecho aquellos a través de los cuales se había producido la translocación del ADN.

El equipo llevó a cabo simulaciones moleculares para intentar determinar el mecanismo de las corrientes iónicas anormalmente grandes detectadas en los nanotubos. La observación de las curvas de corriente-voltaje registradas en concentraciones iónicas variables mostró que el movimiento de iones a través de algunos de los tubos es muy inusual. aunque comprender el mecanismo preciso por el cual la translocación del ADN da lugar a los picos de corriente observados requerirá más modelos. Sin embargo, la señal eléctrica característica de la translocación del ADN a través de tubos con alta conductancia iónica puede proporcionar un refinamiento adicional en los esfuerzos en curso para aplicar la tecnología de nanoporos para la secuenciación rápida del ADN.

Para una secuenciación rápida exitosa a través de nanoporos es fundamental el control preciso de la translocación del ADN. La esperanza es que la lectura genética pueda acelerarse significativamente, sin dejar de permitir suficiente tiempo para que las bases de ADN se identifiquen mediante trazas de corriente eléctrica. Los nanotubos de carbono proporcionan una alternativa atractiva, facilitando y haciendo más fiable el control de las características de los nanoporos.

Si el proceso se puede perfeccionar, Lindsay enfatiza, La secuenciación del ADN podría llevarse a cabo miles de veces más rápido que a través de los métodos existentes, A una fracción del costo. Alcanzar el objetivo de un solo paciente y un genoma de la medicina personalizada proporcionaría información de diagnóstico esencial y ayudaría a ser pioneros en tratamientos individualizados para una amplia gama de enfermedades.