Les chercheurs de CU Boulder développent de nouvelles techniques pour accélérer, un séquençage plus rentable de l'ADN d'une molécule unique qui pourrait avoir des effets transformateurs sur le dépistage génétique, ouvrant la voie à des avancées dans le développement de vaccins, détection précoce du cancer et transplantations d'organes.

Les nouvelles méthodes, dont l'une est basée sur l'électronique quantique nanométrique et l'autre sur l'optique, pourraient un jour permettre à une personne de séquencer son génome en moins de deux minutes à l'aide d'un équipement simple, dit Prashant Nagpal, professeur adjoint au département de génie chimique et biologique de CU Boulder.

« Nous explorons des méthodes uniques pour fournir des informations précises, des informations génétiques utiles plus rapidement et à moindre coût, " dit Nagpal.

Séquençage ADN, qui détermine l'ordre précis des nucléotides contenus dans les molécules biologiques, peut être utilisé pour cartographier des gènes individuels ou des régions génétiques entières. Depuis sa création dans les années 50, le séquençage a été intégré à la médecine, biologie évolutive et autres domaines bioscientifiques, tout en augmentant la vitesse et la puissance de traitement par des ordres de grandeur entiers.

Nagpal décrit sa nouvelle recherche comme une réinvention opportune d'une technologie qui existe depuis des décennies, mais s'est heurtée à des limitations fondamentales ces dernières années.

"Le génome humain se compose de plus de 3 milliards de paires de bases d'ADN, " dit Nagpal. " Actuellement, le séquençage repose sur l'échantillonnage de 20 à 30 de ces paires à la fois, qu'il est bon d'avoir, mais je ne peux que vous en dire beaucoup."

La méthode d'échantillonnage actuelle, Nagpal dit, ouvre la possibilité d'erreurs de réplication dans le plus grand ensemble de données qui pourraient ignorer les marqueurs à grain fin dans le profil génétique d'une personne. Échantillonnage de molécule unique, il dit, offre une image plus précise.

Nagpal et son équipe se sont tournés vers l'électronique quantique pour la solution. Ils envoient une petite charge à travers une molécule d'ADN ou d'ARN, et enregistrer les mesures de tous les nucléotides dans des molécules uniques. La séquence a identifié les nucléotides avec une précision de 99,7 pour cent, contre 80 pour cent obtenus par d'autres méthodes de nanotechnologie.

Les avancées du séquençage quantique ont été décrites récemment dans les revues ACS Nano et Journal de l'American Chemical Society . Le W.M. La Fondation Keck a apporté son soutien à toutes les recherches sur le séquençage d'une molécule unique.

Nagpal has also been developing an optics-based method for single-molecule sequencing that uses a diode laser and a camera comparable to that of an average smartphone to rapidly identify nucleotide sequences. Because of its unique physical properties as both a particle and a wave, light is a nimbler means of gathering information and transmitting it in compressed form.

In a forthcoming paper currently in press in the journal Petit , Nagpal and his colleagues demonstrated a high-throughput sequencing method can be massively parallelized using a two-millimeter chip array that can take seconds instead of hours.

"With this block sequencing method, you don't need to even sequence on the level of single letters like A, C, G and T, " said Nagpal. "You can extrapolate the same information faster, similar to how you watch a compressed version of a movie on YouTube or Netflix."

The research is still in the early stages, and Nagpal says that the next step would be to apply the sequencing methods to more complex bacterial samples. À l'avenir, he envisions a portable DIY sequencing kit that would cost around $1. A person could take a DNA swab, put it onto the microchip and wait 100 seconds to receive data that could reveal potentially risky genetic markers for cancer, for example, or provide crucial information for doctors attempting to match organs to transplant recipients.

"At scale, the potential applications are tremendous, " said Nagpal. "From identifying antibiotic resistance to accelerating drug discovery, improvements in the speed and accuracy of sequencing could be transformative to many scientific fields."

Other co-authors on these single-molecule sequencing methods include Lee Korshoj, Sepideh Afsari, Manjunatha Sagar, Gary Abel and Assistant Professor Anushree Chatterjee, all of CU Boulder's Department of Chemical and Biological Engineering.