Un equipo de científicos dirigido por el físico Jason Reed de la Virginia Commonwealth University, Doctor., han desarrollado una nueva tecnología de nanomapeo que podría transformar la forma en que se diagnostican y descubren las mutaciones genéticas que causan enfermedades. Descrito en un estudio publicado hoy en la revista Comunicaciones de la naturaleza , Este enfoque novedoso utiliza microscopía de fuerza atómica de alta velocidad (AFM) combinada con una técnica de código de barras químico basada en CRISPR para mapear el ADN con casi la misma precisión que la secuenciación de ADN mientras procesa grandes secciones del genoma a una velocidad mucho más rápida. Es más, la tecnología puede funcionar con piezas que se encuentran en su reproductor de DVD común y corriente.

El genoma humano está formado por miles de millones de pares de bases de ADN. Desenredado se extiende a una longitud de casi seis pies de largo. Cuando las células se dividen, deben hacer una copia de su ADN para la nueva célula. Sin embargo, a veces, varias secciones del ADN se copian incorrectamente o se pegan juntas en la ubicación incorrecta, que conduce a mutaciones genéticas que causan enfermedades como el cáncer. La secuenciación del ADN es tan precisa que puede analizar pares de bases de ADN individuales. Pero para analizar grandes secciones del genoma para encontrar mutaciones genéticas, los técnicos deben determinar millones de secuencias diminutas y luego ensamblarlas con software de computadora. A diferencia de, Las técnicas de obtención de imágenes biomédicas, como la hibridación fluorescente in situ (FISH), solo pueden analizar el ADN con una resolución de varios cientos de miles de pares de bases.

El nuevo método AFM de alta velocidad de Reed puede mapear el ADN a una resolución de decenas de pares de bases mientras crea imágenes de hasta un millón de pares de bases de tamaño. Y lo hace utilizando una fracción de la cantidad de muestra necesaria para la secuenciación del ADN.

"La secuenciación del ADN es una herramienta poderosa, pero sigue siendo bastante caro y tiene varias limitaciones tecnológicas y funcionales que dificultan el mapeo de grandes áreas del genoma de manera eficiente y precisa, "dice Jason Reed, Doctor., investigador principal del estudio. Reed es miembro del programa de investigación Cancer Molecular Genetics en VCU Massey Cancer Center y profesor asociado en el Departamento de Física de la Facultad de Humanidades y Ciencias de VCU. "Nuestro enfoque cierra la brecha entre la secuenciación del ADN y otras técnicas de mapeo físico que carecen de resolución. Puede usarse como un método independiente o puede complementar la secuenciación del ADN al reducir la complejidad y el error al juntar las piezas pequeñas del genoma analizadas durante el proceso de secuenciación ".

Los científicos de IBM llegaron a los titulares en 1989 cuando desarrollaron la tecnología AFM y utilizaron una técnica relacionada para reorganizar las moléculas a nivel atómico para deletrear "IBM". AFM logra este nivel de detalle mediante el uso de un lápiz óptico microscópico, similar a una aguja en un tocadiscos, que apenas hace contacto con la superficie del material que se está estudiando. La interacción entre el lápiz y las moléculas crea la imagen. Sin embargo, El AFM tradicional es demasiado lento para aplicaciones médicas, por lo que lo utilizan principalmente ingenieros en ciencia de materiales.

"Nuestro dispositivo funciona de la misma manera que AFM, pero movemos la muestra más allá del lápiz óptico a una velocidad mucho mayor y usamos instrumentos ópticos para detectar la interacción entre el lápiz óptico y las moléculas. Podemos lograr el mismo nivel de detalle que el AFM tradicional pero puede procesar material más de mil veces más rápido, "dice Reed, cuyo equipo demostró que la tecnología se puede integrar mediante el uso de equipos ópticos que se encuentran en los reproductores de DVD. "El AFM de alta velocidad es ideal para algunas aplicaciones médicas, ya que puede procesar materiales rápidamente y proporcionar cientos de veces más resolución que los métodos de imágenes comparables".

Aumentar la velocidad de AFM fue solo uno de los obstáculos que Reed y sus colegas tuvieron que superar. Para identificar realmente mutaciones genéticas en el ADN, tuvieron que desarrollar una forma de colocar marcadores o etiquetas en la superficie de las moléculas de ADN para poder reconocer patrones e irregularidades. Se desarrolló una ingeniosa solución de códigos de barras químicos utilizando una forma de tecnología CRISPR.

CRISPR ha aparecido recientemente en muchos titulares con respecto a la edición de genes. CRISPR es una enzima que los científicos han podido "programar" utilizando ARN dirigido a fin de cortar el ADN en lugares precisos que la célula repara por sí misma. El equipo de Reed alteró las condiciones de reacción química de la enzima CRISPR para que solo se adhiera al ADN y no lo corte.

"Debido a que la enzima CRISPR es una proteína que es físicamente más grande que la molécula de ADN, es perfecto para esta aplicación de códigos de barras, ", dice Reed." Nos sorprendió descubrir que este método es casi un 90 por ciento eficiente para unirse a las moléculas de ADN. Y como es fácil ver las proteínas CRISPR, se pueden detectar mutaciones genéticas entre los patrones del ADN ".

Para demostrar la eficacia de la técnica, los investigadores mapearon translocaciones genéticas presentes en biopsias de ganglios linfáticos de pacientes con linfoma. Las translocaciones ocurren cuando una sección del ADN se copia y se pega en el lugar equivocado del genoma. Son especialmente frecuentes en cánceres de la sangre como el linfoma, pero también ocurren en otros cánceres.

Si bien hay muchos usos potenciales para esta tecnología, Reed y su equipo se centran en aplicaciones médicas. Actualmente están desarrollando software basado en algoritmos existentes que pueden analizar patrones en secciones de ADN de hasta y más de un millón de pares de bases de tamaño. Una vez completado, No sería difícil imaginar este instrumento del tamaño de una caja de zapatos en los laboratorios de patología para ayudar en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades relacionadas con mutaciones genéticas.