211service.com
Czy to wąglik, czy tylko biały proszek?
Kiedy pacjent zostaje przyjęty do szpitala z objawami groźnej ogólnoustrojowej infekcji bakteryjnej lub gdy pracownik poczty znajdzie biały proszek w podejrzanie wyglądającej kopercie, ważna jest umiejętność szybkiej identyfikacji potencjalnych patogenów. Aby to osiągnąć, zespół naukowców z Massachusetts opracowuje mikroprzepływowy chip, który wykonuje szybkie sekwencjonowanie DNA w celu szybkiej identyfikacji bakterii. Celem jest urządzenie wystarczająco proste, aby można je było używać podczas kontroli lotnisk i innych kontroli bezpieczeństwa.
Urządzenie mikroprzepływowe opracowane przez U.S. Genomics and Draper Laboratory skanuje nici DNA, aby szybko zidentyfikować bakterie w próbce.
Aby zidentyfikować bakterie w próbce krwi lub w systemie wentylacyjnym budynku, naukowcy lub lekarze zwykle muszą zacząć od nakłonienia ich do wzrostu w hodowli w laboratorium. Zajmuje to około 14 do 48 godzin. W międzyczasie pacjent z infekcją lekooporną może otrzymać niewłaściwy antybiotyk, a ratownicy medyczni mogą przeoczyć oznaki potencjalnego ataku bioterrorystycznego.
Badacze w Genomika USA , w Woburn, MA i Laboratorium Draperskie , w Cambridge, MA, pracują razem nad udoskonaleniem technologii, która pozwala na sekwencjonowanie i identyfikację bakterii i innych patogenów bez hodowli. Naukowcy nie czytają każdej zasady na nici DNA, ale szukają charakterystycznych wzorców powtórzeń pojedynczej, bardzo krótkiej sekwencji. W kodzie genetycznym są tylko cztery elementy, więc od sześciu do ośmiu długości zasad, takich jak GTAGCC, występuje wiele razy we wszystkich genomach. Ale w każdym gatunku taka sekwencja wystąpi w unikalnym wzorze. Nawet różne szczepy tego samego rodzaju bakterii będą miały unikalne wzorce identyfikacji danej krótkiej sekwencji.
Firma US Genomics zbudowała bazę danych tych wzorców, którą nazywa kodami kreskowymi, dla wielu gatunków i szczepów bakterii. Ponieważ prace są finansowane przez Departament Bezpieczeństwa Wewnętrznego USA, firma nie ujawni, ile patogenów znajduje się w jej bazie danych ani czym one są. Pracownik naukowy Jeff Krogmeier mówi, że agencja rządowa jest zainteresowana instrumentem, który będzie znajdował się na lotnisku, w centrum handlowym lub w innym miejscu publicznym i stale monitorowałby powietrze. Jego kompaktowy chip analityczny jest krokiem w tym kierunku, ponieważ może identyfikować bakterie na podstawie analizy długich nici DNA, które nie wymagają intensywnego leczenia. Potrzebujemy tylko kilku cząsteczek [DNA], mówi Krogmeier.
Po pierwsze, DNA musi zostać wyekstrahowane z próbki i oznaczone znacznikiem fluorescencyjnym, który przyczepia się tylko do miejsc wzdłuż nici, w których występuje krótka sekwencja będąca przedmiotem zainteresowania. (U.S. Genomics pracuje nad uproszczeniem tego etapu, który obecnie należy wykonać w laboratorium). Pojedyncze, długie cząsteczki DNA są następnie wprowadzane do mikroprzepływowego chipa, gdzie ciśnienie hydrostatyczne ciągnie je ze stałą prędkością przez wąski kanał. Gdy znakowane DNA przepływa przez kanał, przechodzi przez bardzo wąsko skupioną wiązkę światła. Kiedy DNA przechodzi przez wiązkę, etykiety fluoryzują. Błyski światła z etykiet są rejestrowane jak kod kreskowy i porównywane z bazą danych U.S. Genomics w celu zidentyfikowania organizmu, z którego pochodzi DNA.
W obecnym wcieleniu chipów DNA firmy, wzory kodów kreskowych są odczytywane z rozdzielczością 0,5 mikrometra. Wersja opracowywana przez U.S. Genomics and Draper Laboratory wykorzystuje falowód i nanoanteny do skupienia światła na plamce o rozmiarze znacznie mniejszym niż połowa długości fali, co daje znacznie wyższą rozdzielczość i umożliwia urządzeniu z większą dokładnością odczytywanie krótszych pasm. Co więcej, światło z tych anten jest 10 razy silniejsze, co oznacza silniejszy sygnał – mówi Jonathan Bernstein, badacz Draper pracujący nad projektem. A skupianie światła za pomocą nanoanteny zamiast soczewki oznacza, że chipy są bardziej kompaktowe i wytrzymałe.
Krogmeier mówi, że Departament Bezpieczeństwa Wewnętrznego USA jest zainteresowany nie tylko identyfikacją patogenów, ale także identyfikacją, czy zostały one naruszone. Bioterrorysta próbujący zrobić wąglika lub E coli bardziej zabójcze lub łatwiej ulegające rozproszeniu, często próbowałyby to zrobić, dodając długie odcinki DNA z innego organizmu. Czip US Genomics, mówi Krogmeier, byłby w stanie wykryć takie manipulacje.
Bernstein twierdzi, że kanały mikroprzepływowe mogą być również przydatne do badania molekuł oprócz DNA. Powszechne techniki laboratoryjne, takie jak PCR, proces używany do tworzenia wielu kopii pojedynczej nici DNA, po prostu nie istnieją do badania RNA i białek; w rezultacie trudniej jest je zidentyfikować i manipulować. Większość komórki to nie DNA, mówi Bernstein. Coś w rodzaju mikroprzepływowego chipa, który opracował dla amerykańskiej genomiki, jak mówi, może być bardzo pomocne w badaniu innych cząsteczek biologicznych.