Los investigadores de CU Boulder están desarrollando nuevas técnicas para secuenciación de ADN de una sola molécula más rentable que podría tener efectos transformadores en el cribado genético, allanando el camino para los avances en el desarrollo de vacunas, detección precoz del cáncer y trasplantes de órganos.

Los nuevos métodos, uno de los cuales se basa en la electrónica cuántica a nanoescala y el otro en la óptica, podrían algún día permitir a una persona secuenciar su genoma en menos de dos minutos utilizando un equipo simple. dijo Prashant Nagpal, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica de CU Boulder.

"Estamos explorando métodos únicos para proporcionar información genética útil más rápida y barata, "dijo Nagpal.

Secuencia ADN, que determina el orden preciso de los nucleótidos contenidos en moléculas biológicas, se puede utilizar para mapear genes individuales o regiones genéticas completas. Desde sus inicios en la década de 1950, la secuenciación se ha incorporado a la medicina, biología evolutiva y otros campos biocientíficos, todo mientras aumenta la velocidad y la potencia de procesamiento en órdenes enteros de magnitud.

Nagpal describe su nueva investigación como una reinvención oportuna de una tecnología que ha existido durante décadas, pero se ha topado con limitaciones fundamentales en los últimos años.

"El genoma humano consta de más de 3000 millones de pares de bases de ADN, "dijo Nagpal." Actualmente, la secuenciación se basa en muestrear de 20 a 30 de estos pares a la vez, que es bueno tener, pero no puedo decirte mucho ".

El método de muestreo actual, Nagpal dice:abre la posibilidad de errores de replicación en el conjunto de datos más grande que podrían pasar por alto los marcadores de grano fino en el perfil genético de una persona. Muestreo de una sola molécula, él dice, ofrece una imagen más precisa.

Nagpal y su equipo recurrieron a la electrónica cuántica para encontrar la solución. Envían una pequeña carga a través de una molécula de ADN o ARN, y registrar las mediciones de todos los nucleótidos en moléculas individuales. La secuencia identificó los nucleótidos con una precisión del 99,7 por ciento, frente al 80 por ciento logrado con otros métodos de nanotecnología.

Los avances en la secuenciación cuántica se describieron recientemente en las revistas ACS Nano y Revista de la Sociedad Química Estadounidense . El W.M. La Fundación Keck brindó apoyo para toda la investigación de secuenciación de una sola molécula.

Nagpal también ha estado desarrollando un método basado en la óptica para la secuenciación de una sola molécula que utiliza un láser de diodo y una cámara comparable a la de un teléfono inteligente promedio para identificar rápidamente secuencias de nucleótidos. Debido a sus propiedades físicas únicas como partícula y onda, la luz es un medio más ágil de recopilar información y transmitirla en forma comprimida.

En un artículo de próxima publicación actualmente en prensa en la revista Pequeña , Nagpal y sus colegas demostraron que un método de secuenciación de alto rendimiento se puede paralelizar masivamente usando una matriz de chips de dos milímetros que puede tomar segundos en lugar de horas.

"Con este método de secuenciación de bloques, ni siquiera es necesario secuenciar en el nivel de letras individuales como A, C, G y T, ", dijo Nagpal." Puede extrapolar la misma información más rápido, similar a cómo ves una versión comprimida de una película en YouTube o Netflix ".

La investigación aún se encuentra en las primeras etapas, and Nagpal says that the next step would be to apply the sequencing methods to more complex bacterial samples. En el 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 ejemplo, 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.