DNA-Sequenzierung mit magnetischem “Tauziehen”

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Autor: Fee
Seit das humane Genomprojekt die erste Genomsequenz eines Menschen veröffentlicht hat ist viel Zeit vergangen und die Methode der DNA-Sequenzierung hat sich seit ihrer Entwicklung weiterentwickelt. Doch im Prinzip ist sie nur verfeinert worden und in vielen parallelen Ansätzen als Hochdurchsatzmethode anwendbar, wodurch z.B. bei der 454 Pyrosequenzierung, der momentan effektivsten Methode, ein enormer Datendurchsatz ermöglicht wird. Bei dieser Methode, auch Sequencing by Synthesis genannt, wird während der Vervielfältigung des zu sequenzierenden DNA-Stranges, die Basenabfolge ausgelesen. Dazu wird das, bei der Anbringung eines neuen Basenbausteins abgespaltene Pyrophospaht durch eine enzymatische Reaktion in ein Lichtsignal umgesetzt. Man “sieht” also einen Lichblitz wenn das im Moment in der Reaktion vorhandene Nukleotid komplementär in den Strang eingebaut werden kann, wenn nicht bleibt es dunkel. Da man diesen Ansatz in sogenannten Picotiterplatten mit ca. 400 000 winzigen Reaktionseinheiten bearbeiten kann, ist ein Hochdurchsatz von Proben möglich. Inzwischen haben diverse Biotechunternehmen eine komplette Genomsequenzierung (3,2 Milliarden Basen) für 1000 $ angekündigt. Das ist aber bisher noch Zukunftsmusik, da die 454-Methode zum Beispiel noch ca. 15 000 Euro für 400 000 Einzelsequenzen von bis zu 400 Basenpaaren länge kostet. Das ergibt ca. 160 Millionen Basenpaare pro Ansatz, von denen jedoch Aufgrund der Methodik eine Menge Parallelbestimmungen der gleichen Sequenzen enthalten sind.
Schon vor einigen Jahren kamen Wissenschaftler auf die Idee, einen völlig neuen Ansatz zu etablieren und das DNA Molekül mittels eines elektrischen Feldes durch eine Nanopore zu “fädeln”. Beim Durchtreten dieser Pore könnte dann theoretisch die Basenabfolge analysiert werden. Das funktioniert im Prinzip auch, doch leider ist das für den Durchtritt benötigte elektrische Feld so stark, dass die daraus resultierende Geschwindigkeit, mit der sich der DNA Strang durch die Öffnung bewegt, viel zu gross ist um ein Auslesen der einzelnen Basen zu ermöglichen. Dieses Problem haben Physiker von der Brown Universität jetzt mit einem Trick gelöst. Sie haben den DNA Strang mittels einer Streptavidin-Biotin-Bindung einfach an eine magnetisierte Eisenoxid-Nanokugel (Bead) gebunden, deren Durchmesser mit 2,5 Mikrometner viel grösser ist als die Öffnung der Nanopore mit nur 10 Nanometern. Dadurch bleibt die Nanokugel nach der Passage der DNA durch die Pore sozusagen stecken und kann nicht passieren. Legt man nun mit Hilfe sogenannter “magnetischer Pinzetten” (magnetic tweezers) ein magnetisches Feld an, kann man die Nanokugel und die daran gebundene DNA einfach wieder zurück durch die Pore ziehen, sie befindet sich also in einem “Tauziehen” zwischen elektrischem und magnetischem Feld. Da diese Strukturen im Nanobereich sind, ist eine Hochdurchsatzanwendung mit vielen parallel arbeitenden Einheiten denkbar. Dabei kann man über die Stärke des magnetischen Feldes die Geschwindigkeit frei steuern und somit auch ein Auslesen der einzelnen Basenpaare ermöglichen.

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Als erstes soll das Ganze mit bakterieller DNA gestestet werden und dann zur Anwendung weiterentwickelt werden. Ich bin gespannt. Erinnert mich irgendwie an den Film Gataca, in dem eine nur wenige Sekunden dauernde Sequenzierung zum Beispiel von einer Speichelprobe nach einem Kuss gleich die gesamten genetischen Eigenschaften des Geküssten eröffnet. Ob man das will ist natürlich wieder eine ganz andere Frage!

Peng, H., & Ling, X. (2009). Reverse DNA translocation through a solid-state nanopore by magnetic tweezers Nanotechnology, 20 (18) DOI: 10.1088/0957-4484/20/18/185101

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Kategorie: Wissenschaftsnews

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