Chip DNA daje pozytywny identyfikator

Przez ostatnie pięć lat chipy DNA były potężnym narzędziem badawczym, obiecującym dla przyszłego zastosowania w warunkach klinicznych. Te maleńkie krzemowe lub szklane powierzchnie pokryte tysiącami fragmentów DNA są wykorzystywane przez naukowców do odkrywania genów w próbkach DNA. Ale wciąż nieuchwytny jest święty Graal tej technologii – pojedyncze, w pełni zautomatyzowane ręczne urządzenie lub laboratorium na chipie, które może natychmiast analizować DNA z pojedynczego pasma włosów lub kropli krwi.

Jedną z firm, która zrobiła duży krok w tym kierunku, jest Nanogen z siedzibą w San Diego. Jego NanoChip jest obecnie jedynym chipem DNA na rynku, który wykorzystuje mikroprzepływy — kierowanie płynów na powierzchnię chipa — oraz sygnalizację elektroniczną w celu dokładniejszej identyfikacji wariantów i mutacji genów. Może to prowadzić do dokładniejszego wykrywania patogenów, mikroorganizmów lub podtypów chorób genetycznych.

Spotkaj się i dopasuj

Wszystkie chipy DNA opierają się na wrodzonej właściwości DNA: kiedy znajoma podwójna helisa zostanie podzielona na pół, każdy fragment DNA będzie próbował ponownie połączyć się z innym, uzupełniającym się fragmentem - proces zwany hybrydyzacją.

Powierzchnia konwencjonalnych chipów DNA, takich jak te produkowane przez giganta biochipów Affymetrix, jest zwykle pokryta dziesiątkami tysięcy nici DNA, zwanych sondami. W typowym zastosowaniu geny, powiedzmy, guza nowotworowego są znakowane barwnikiem fluorescencyjnym i nakładane na powierzchnię chipa. Te, które pasują, wiążą się z sondami, a reszta jest wypłukiwana. Markery fluorescencyjne, odczytane skanerem, pozwalają naukowcom zidentyfikować sekwencje DNA tworzące związane geny. Ten proces może potrwać do trzech godzin.

Jednak w wielu przypadkach wiązanie próbki genu i odpowiadającej mu sondy może ukrywać niezgodność jednej lub dwóch podstawowych liter (cegiełek budulcowych DNA). Dla większości celów ten stopień precyzji jest odpowiedni, ponieważ pozwala naukowcom na bezpieczną identyfikację genów lub rodzin genów.

Ale kiedy badacze muszą zidentyfikować dokładny wariant genu – aby na przykład odróżnić różne podtypy choroby – jedna lub dwie litery mogą oznaczać całą różnicę.

Przepływ elektryczny

Nanogen ma nadzieję, że NanoChip spełni tę potrzebę. Bardziej wyspecjalizowany niż konwencjonalne chipy DNA, wykorzystuje mikroprzepływy, elektronikę i sprytny element inżynierii wstecznej, aby uzyskać idealne dopasowanie.

Wewnątrz chipa szereg mikroprzepływowych kanałów prowadzi do centralnego rdzenia zawierającego 99 miejsc testowych, z których każde może być niezależnie sterowane ładunkiem elektrycznym. Podczas gdy standardowe chipy DNA są wyposażone w sondy, wkład NanoChip jest pusty i należy go dostosować. Aby przygotować chip, sondy DNA umieszcza się w kanałach mikroprzepływowych, a do miejsc testowych, które będą trzymać sondy, przykładany jest ładunek elektryczny. Ponieważ DNA zawiera nieodłączny ładunek ujemny, sondy są przeciągane przez kanały do ​​żądanych miejsc.

Ładunek elektryczny przyspiesza również proces hybrydyzacji, przeciągając próbki genów do sond. Po hybrydyzacji ładunek elektryczny jest odwracany. Pozostają tylko idealnie dopasowane próbki, a wyniki są następnie odczytywane na dostosowanej stacji roboczej. Cały proces trwa około 15 minut.

Jak dotąd zapewnia 100-procentową dokładność, mówi Paolo Fortina, naukowiec ze Szpitala Dziecięcego w Filadelfii, który używa NanoChip od prawie roku, głównie do walidacji wyników z sekwencera DNA. Ostatnio użył NanoChip w badaniu wariantów genów i chorób układu krążenia.

Inne platformy

Na polu bogatym w eksperymenty inne firmy biotechnologiczne również zabiegają o sukces dzięki własnym podejściom do konstrukcji chipów DNA.

Grupa eSensor firmy Motorola, z którą firma Nanogen niedawno rozstrzygnęła spór patentowy dotyczący metod wykrywania molekularnego, planuje jesienią tego roku wejść na rynek z własnym chipem DNA. Chip Motoroli wykorzystuje elektronikę nie do zwiększenia szybkości i precyzji, ale do identyfikacji zhybrydyzowanego DNA bez fluorescencji. Układ eSensor zawiera sondy oznaczone etykietą elektroniczną. Po wystąpieniu hybrydyzacji do chipa przykładane jest napięcie, co powoduje, że zhybrydyzowane sondy uwalniają sygnał.

HandyLab, spółka spinoff University of Michigan, pracuje nad mikroprzepływowym chipem DNA, który, jak mają nadzieję, zostanie zatwierdzony do użytku klinicznego. Podobnie jak Nanogen, HandyLab wykorzystuje sygnalizację elektroniczną do manipulowania płynami. Ale zamiast wykorzystywać nieodłączny ładunek ujemny w samym DNA, HandyLab eksperymentuje z pneumatyką termiczną — elektrycznie podgrzewa małe kieszenie powietrza w celu napędzania płynu, a następnie chemicznie kontroluje przepływ. HandyLab przewiduje badania kliniczne swojego produktu w 2003 roku.

Firma Orchid Biosciences z siedzibą w Princeton w stanie New Jersey opracowuje platformę biochipów składającą się z wielopoziomowego obwodu mikroprzepływowego do wykrywania wariantów i mutacji genów. Orchid ma nadzieję włączyć tę wysoce równoległą platformę do swojej linii produktów do 2003 roku.

ukryć