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Velocidad de lectura de ADN pulgadas más cerca
Para que la secuenciación del ADN se convierta en una parte rutinaria de la atención del paciente, debe ser más barata y rápida. Una empresa llamada Nanopore de Oxford espera reducir tanto el costo como el tiempo necesarios para la secuenciación mediante una técnica llamada secuenciación de nanoporos. La compañía ha hecho ahora una demostración importante de su tecnología: por primera vez, los investigadores pudieron identificar bases de ADN con una precisión casi total. Además de identificar las cuatro bases del ADN, la técnica también puede detectar una versión modificada de una de las bases, que puede ser responsable de provocar cáncer y otras enfermedades.
Lector de velocidad : Una base de ADN (roja) pasa a través de un túnel de proteínas revestido con un azúcar (burbujas azules y verdes). El azúcar ralentiza el ADN a medida que se mueve a través del poro, dando tiempo a que se identifique la base.
La nueva técnica permite la identificación directa de bases sin las etiquetas fluorescentes y el equipo de imagen utilizado para la secuenciación convencional de alta velocidad. La lectura directa de ADN no solo debería ser más rápida y barata, sino que también debería permitir realizar análisis más complejos, dice Jeffrey Schloss, director de programa de desarrollo tecnológico en EE. UU. Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano . La capacidad del sistema Oxford Nanopore para detectar las modificaciones del ADN catalogadas por un campo emergente llamado epigenética es particularmente emocionante, dice Schloss. Por ejemplo, se ha demostrado que la adición de moléculas orgánicas llamadas grupos metilo a una de las bases desempeña un papel en el desarrollo de enfermedades como el cáncer. Pero es difícil detectar estas modificaciones utilizando métodos de secuenciación convencionales, por lo que aún no se comprenden bien los efectos completos y por qué ocurren.
Los investigadores de Oxford Nanopore aún no han demostrado que puedan procesar secuencias de ADN completas utilizando su sistema. Sin embargo, los nuevos resultados, publicados esta semana en Nanotecnología de la naturaleza , son una importante prueba de concepto para la secuenciación de nanoporos. Han demostrado la viabilidad de todos los pasos, dice Schloss.
El sistema que utilizó la empresa para identificar las bases del ADN es una proteína en forma de túnel incrustada en una membrana muy similar a la que rodea a las células biológicas. El flujo de iones a través de la membrana y a través del poro crea una corriente que se puede medir con un electrodo similar a los que se utilizan para estudiar las neuronas en el laboratorio. Al aplicar un fuerte potencial eléctrico a través de la membrana, los investigadores conducen bases de ADN a través del poro. A medida que pasa cada base, modifica la corriente que fluye a través del poro de una manera característica.
La clave para que el método funcione es controlar el flujo de las bases a través del poro de la proteína. Las bases de ADN son demasiado pequeñas para ser identificadas por sí mismas: volarían a través, dice James Clarke, científico de Oxford Nanopore. Entonces, una molécula de azúcar que recubre la abertura la aumenta de tamaño para que el ADN no se filtre demasiado rápido. En versiones anteriores del sistema de nanoporos, esta molécula de azúcar estaba asociada de manera bastante flexible con el poro, moviéndose hacia adentro y hacia afuera. Investigadores de la empresa liderados por el fundador Hagan Bayley , quien también es profesor de química en la Universidad de Oxford, hizo posible leer bases de ADN una tras otra al unir químicamente el azúcar al interior del nanoporo.
Oxford Nanopore puede identificar bases, pero aún no en secuencia. El sistema que ha demostrado implica pasar ADN cortado, no hebras completas, a través del nanoporo. La compañía ahora está trabajando en una configuración para alimentar largas hebras de ADN a través del poro, una base a la vez. Para hacer esto, los investigadores deben adjuntar una enzima llamada exonucleasa al nanoporo. Esperan que las bases sean cortadas una por una por la enzima y pasen a través del poro al otro lado.
Hay algunas dudas [sobre] lo que sucederá cuando coloque largas hebras de ADN frente al nanoporo, dice Schloss. ¿Formará un nudo sin esperanza?
Esta es solo una de las muchas incógnitas a las que se enfrentan los investigadores. Para que la tecnología sea realmente escalable y comercialmente viable, los poros deberán agruparse en grandes conjuntos y la empresa deberá desarrollar una forma menos complicada de leer las señales eléctricas de los poros. Oxford Nanopore dice que actualmente está trabajando en ambos problemas.
Un error potencial del enfoque de nanoporos-exonucleasa de Oxford, dice Schloss, es que el ADN se destruirá a medida que se lee, lo que hace imposible volver a secuenciar una hebra para comprobar si hay errores.
Sin embargo, existen otros enfoques para la secuenciación de nanoporos que son menos destructivos. David Deamer , profesor emérito de química en la Universidad de California, Santa Cruz, quien ideó por primera vez el concepto de secuenciación de nanoporos en la década de 1990 y es asesor científico de Oxford Nanopore, señala que esta no es la primera demostración de un sistema de nanoporos que Puede identificar todas las bases de ADN. El año pasado, los investigadores dirigidos por Reza Ghadiri en el Instituto Scripps, en La Jolla, CA, secuenció una hebra de ADN de 10 bases de largo utilizando otra técnica de nanoporos. El flujo de ADN a través del sistema Scripps, que se basa en el concepto original de Deamer, está controlado por una enzima que actúa como un trinquete, moviendo la molécula hacia adelante una base a la vez. Pero este sistema es demasiado lento, avanza a una velocidad de una base cada 10 minutos, y los investigadores de Scripps están trabajando para acelerarlo.
Oxford Nanopore no ha puesto todos sus huevos en una canasta. Tiene tecnología licenciada para varios métodos de secuenciación de nanoporos, incluido el de Deamer y otro que usa un nanoporo artificial: una oblea de silicio perforada con agujeros a nanoescala y revestida con nanotubos de carbono cuya conductancia cambia a medida que pasa el ADN.
Uno de estos enfoques tendrá un gran avance y podrá secuenciarse a un ritmo más rápido y más barato que lo que hacemos ahora, predice Deamer. Ni los investigadores de Oxford Nanopore ni los de los laboratorios de la competencia están dispuestos a especular sobre cuándo sucederá esto o cuánto costaría un sistema de este tipo por genoma. Pero Schloss dice que es posible que uno de los grupos cumpla con el objetivo original del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano de 2014 para la secuenciación exitosa de nanoporos.