Investigadores de la Universidad de Columbia, con colegas de Genia Technologies Roche, la Universidad de Harvard y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST informan que lograron la secuenciación de ADN electrónico de una sola molécula en tiempo real con una resolución de base única utilizando una matriz de nanoporos de proteínas.
La secuenciación del ADN es la tecnología clave para las iniciativas de medicina personalizada y de precisión, que permite descubrimientos rápidos en la ciencia biomédica. La secuencia completa del genoma de un individuo proporciona marcadores y pautas importantes para el diagnóstico médico, la atención médica y el mantenimiento de una vida saludable. Hasta la fecha, el costo yLa velocidad involucrada en la obtención de secuencias de ADN altamente precisas ha sido un gran desafío. Si bien se han realizado varios avances en la última década, los instrumentos de secuenciación de alto rendimiento ampliamente utilizados hoy en día dependen de la óptica para la detección de cuatro bloques de construcción de ADN: A, C,G y T. Para explorar capacidades de medición alternativas, se ha desarrollado la secuenciación electrónica de un conjunto de plantillas de ADN para el análisis genético. Secuenciación de hebras de nanoporos, en las que se enhebra un ADN de hebra única a través de los poros a nanoescala bajo un voltaje eléctrico aplicado para producir señales electrónicas paraSe ha desarrollado recientemente la determinación de secuencia a nivel de molécula única; sin embargor, debido a que los cuatro nucleótidos son muy similares en sus estructuras químicas, no se pueden distinguir fácilmente con este método.Por lo tanto, los investigadores están buscando activamente la investigación y el desarrollo de una plataforma precisa de secuenciación electrónica de ADN de una sola molécula, ya que tiene el potencial de producir un secuenciador de ADN en miniatura capaz de descifrar el genoma para facilitar la medicina de precisión personalizada.
Un equipo de investigadores de Columbia Engineering, encabezado por Jingyue Ju Samuel Ruben-Peter G. Viele Profesor de Ingeniería, Profesor de Ingeniería Química y Farmacología, Director del Centro de Tecnología Genómica e Ingeniería Biomolecular, con colegas de Harvard MedicalSchool, dirigida por George Church Profesor de Genética; Genia Technologies, dirigida por Stefan Roever CEO de Genia; y John Kasianowicz, el Investigador Principal de NIST, han desarrollado un sistema completo para secuenciar ADN en nanoporos electrónicamente a nivel de molécula únicacon resolución de base única. Este trabajo, titulado "Secuenciación de ADN electrónico de molécula única en tiempo real por síntesis usando nucleótidos etiquetados con polímeros en una matriz de nanoporos", se publica en la revista, Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
Anteriormente, investigadores de los laboratorios de Ju en Columbia y Kasianowicz en NIST informaron el principio general de secuenciación de nanoporos por síntesis SBS, la viabilidad del diseño y síntesis de nucleótidos etiquetados con polímeros como sustratos para la ADN polimerasa, la detección y ladiferenciación de las etiquetas de polímero por nanopore a nivel de molécula única. La corriente PNAS el artículo describe la construcción del sistema completo de nanopore SBS para producir datos de secuenciación electrónica de una sola molécula con resolución de base única. Esta estrategia de SBS distingue con precisión cuatro bases de ADN mediante la detección y diferenciación electrónica de cuatro etiquetas de polímero diferentes unidas al fosfato 5 'delos nucleótidos durante su incorporación en una cadena de ADN en crecimiento catalizada por la polimerasa, una enzima sintetizadora de ADN. Los investigadores diseñaron y sintetizaron nuevos nucleótidos etiquetados en el fosfato terminal con polímeros basados en oligonucleótidos para realizar SBS de nanoporos en una plataforma de matriz de nanoporos de proteína α-hemolisinaLas etiquetas en los nucleótidos marcados con polímeros, que se verificaron como sustratos activos para la ADN polimerasa, producen diferentes niveles de bloqueo de corriente eléctrica. Construyeron una matriz de nanoporos en un chip electrónico con múltiples electrodos; la matriz está compuesta de canales de proteínas que fueronacoplado a una ADN polimerasa que estaba unida a un cebadoPlantilla de ADNLa adición de distintos nucleótidos etiquetados con polímeros personalizados al conjunto de nanoporos activa la síntesis de ADN.Al bloquear la corriente iónica del canal a diferentes niveles, las distintas etiquetas proporcionan una lectura de la secuencia de la plantilla en tiempo real con resolución de base única.
Como señala Carl Fuller, autor principal, Científico investigador adjunto sénior en el Laboratorio Ju del Departamento de Ingeniería Química de Columbia y Director de Química en Genia, "La novedad de nuestro enfoque SBS de nanoporos comienza con el diseño, la síntesis yselección de cuatro nucleótidos diferentes etiquetados con polímeros. Utilizamos una ADN polimerasa unida covalentemente al nanoporo y los nucleótidos etiquetados para realizar SBS. Durante la replicación del ADN unido a la polimerasa, la etiqueta de cada nucleótido complementario se captura en el poro para produciruna señal eléctrica única. Cuatro etiquetas de polímeros distintos que producen firmas distintas que son reconocidas por el detector electrónico en el chip de matriz de nanoporos se utilizan para la determinación de la secuencia. Por lo tanto, las secuencias de ADN se obtienen para muchas moléculas individuales en paralelo y en tiempo real.Las etiquetas están diseñadas para ofrecer distinciones mucho mejores entre ellas, en contraste con las pequeñas diferencias entre los cuatro nucleótidos de ADN nativos.s, superando así el gran desafío que enfrentan otros métodos de secuenciación directa de nanoporos ". Además, las etiquetas pueden optimizarse aún más con respecto al tamaño, la carga y la estructura para proporcionar una resolución óptima en el sistema SBS de nanoporosas".
"Este emocionante proyecto reúne a científicos e ingenieros de la academia y la industria con experiencia combinada en ingeniería molecular, nanotecnología, genómica, electrónica y ciencia de datos para producir plataformas de diagnóstico genético revolucionarias y rentables con un potencial sin precedentes para la medicina de precisión", diceJu. "Estamos extremadamente agradecidos por el generoso apoyo del NIH que nos permitió avanzar rápidamente en la investigación y el desarrollo de la tecnología SBS nanopore, y las contribuciones sobresalientes de todos los miembros de nuestro consorcio de investigación".
Según Ju, los investigadores ya han superado lo que se demostró en el PNAS estudio en el que se obtuvieron los datos de secuenciación en un secuenciador prototipo temprano basado en SBS de nanoporos. El rendimiento y el rendimiento del secuenciador actual han progresado más allá de lo que se informó en el PNAS documento. Recientemente se ha logrado la factibilidad de alcanzar longitudes de lectura de más de 1000 bases de ADN. En adelante, el equipo de investigación colaborativa continuará optimizando las etiquetas ajustando los enlazadores, la estructura y la carga a nivel molecular, yafinando la polimerasa y la electrónica para el sistema SBS de nanopore con el objetivo de secuenciar con precisión un genoma humano completo de forma rápida y a bajo costo, lo que permite su uso en diagnósticos médicos de rutina.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencias de revistas :
Cite esta página :