Los científicos de la Universidad Estatal de Arizona han dado un nuevo giro a sus esfuerzos por desarrollar una forma más rápida y económica de leer el código genético del ADN. Han desarrollado el primero, lector de ADN versátil que puede discriminar entre los cuatro componentes químicos centrales del ADN, la clave para desbloquear el código vital detrás de la herencia y la salud humanas.

Dirigido por el profesor Stuart Lindsay de ASU Regents, director del Centro de Biofísica de Moléculas Únicas del Instituto Biodesign, el equipo de ASU es uno de los pocos que ha recibido fondos de estímulo para una Iniciativa Nacional de Investigación del Genoma Humano, parte de los Institutos Nacionales de Salud, hacer que la secuenciación del genoma del ADN sea tan generalizada como un chequeo médico de rutina.

El objetivo general de esta iniciativa de "$ 1000 genoma" es desarrollar una tecnología de secuenciación de ADN de próxima generación para marcar el comienzo de la era de la medicina personalizada. donde el conocimiento de un individuo completo, 3 mil millones de código de información de ADN, o genoma, permitirá un enfoque más personalizado para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Dado que las tecnologías actuales tardan casi un año en completarse a un costo de varios cientos de miles de dólares, Hasta la fecha, se han secuenciado todos los genomas de menos de 20 personas en el planeta.

Para hacer realidad su sueño de investigación, El equipo de Lindsay ha imaginado la construcción de una pequeña lector de ADN a nanoescala que podría funcionar como un escáner de caja de supermercado, distinguir entre las cuatro letras químicas del código genético del ADN, abreviado por A, GRAMO, C, y T, a medida que pasan rápidamente por el lector.

Para hacerlo necesitaban desarrollar el equivalente nanotecnológico de enhebrar el ojo de una aguja. En este caso, el ADN sería el hilo que podría reconocerse a medida que pasa por el "ojo" del lector. Durante los últimos años, El equipo de Lindsay ha progresado constantemente, y demostró por primera vez la capacidad de leer secuencias de ADN individuales en 2008, pero este enfoque fue limitado porque tuvieron que usar cuatro lectores separados para reconocer cada una de las bases de ADN. Más recientemente, demostraron la capacidad de enhebrar secuencias de ADN a través del estrecho agujero de un bloque de construcción fundamental de la nanotecnología, el nanotubo de carbono.

El equipo de Lindsay confía en los ojos de la nanotecnología, microscopios de barrido de túnel (STM) y de fuerza atómica (ATM), para hacer sus medidas. Los microscopios tienen una punta de electrodo delicada que se mantiene muy cerca de la muestra de ADN.

En su última innovación, El equipo de Lindsay hizo dos electrodos, uno en el extremo de la sonda del microscopio, y otro en la superficie, que tenían sus diminutos extremos modificados químicamente para atraer y atrapar el ADN entre un espacio como un par de pinzas químicas. La brecha entre estos electrodos funcionalizados tuvo que ajustarse para encontrar el punto óptimo de enlace químico, de modo que cuando una sola base química de ADN pasa a través de una pequeña, Espacio de 2,5 nanómetros entre dos electrodos de oro, se pega momentáneamente a los electrodos y se detecta un pequeño aumento en la corriente. Algo más pequeño, y las moléculas podrían unirse en muchas configuraciones, confundir la lectura, no se detectarían bases más grandes o más pequeñas.

"Lo que hicimos fue reducir el número de tipos de configuraciones unidas a solo una por base de ADN, ", dijo Lindsay." La belleza del enfoque es que las cuatro bases simplemente se ajustan al espacio de 2,5 nanómetros, por lo que es de talla única, ¡pero solo así! "

A esta escala, que tiene solo unos pocos diámetros atómicos de ancho, Están en juego fenómenos cuánticos en los que los electrones pueden filtrarse de un electrodo a otro, túnel a través de las bases del ADN en el proceso.

Cada una de las bases químicas del código genético del ADN, abreviado A, C, T o G, da una firma eléctrica única a medida que pasan entre el espacio en los electrodos. Por prueba y error, y un poco de serendipia, descubrieron que una sola modificación química de ambos electrodos podía distinguir entre las 4 bases de ADN.

"Ahora hemos creado un lector de secuencias de ADN genérico y somos el primer grupo en informar la detección de las 4 bases de ADN en un túnel. "dijo Lindsay." Además, los experimentos de control muestran que hay un cierto (pobre) nivel de discriminación incluso con electrodos desnudos (los experimentos de control) y esto es en sí mismo, una primera también ".

"Nos sorprendió bastante la unión a electrodos desnudos porque, como muchos físicos, siempre habíamos asumido que las bases simplemente se derrumbarían. Pero en realidad, cualquier químico de superficies le dirá que las bases tienen interacciones químicas débiles con las superficies metálicas ".

Próximo, El grupo de Lindsay está trabajando arduamente tratando de adaptar al lector para que trabaje en soluciones basadas en agua, un paso críticamente práctico para las aplicaciones de secuenciación de ADN. También, al equipo le gustaría combinar las capacidades del lector con la tecnología de nanotubos de carbono para trabajar en la lectura de tramos cortos de ADN.

Si el proceso se puede perfeccionar, La secuenciación del ADN podría realizarse mucho más rápido que la tecnología actual, ya una fracción del costo. Solo entonces la promesa de la medicina personalizada llegará a una audiencia masiva.