Extreme DNA-Auflösung: Forscher verlangsamen und scannen mehrfach einzelne DNA-Moleküle
Forschern ist es gelungen, die Manipulation einzelner Moleküle nahezu perfekt zu kontrollieren, so dass sie mit noch nie dagewesener Präzision identifiziert und charakterisiert werden können
Aleksandra Radenovic, Leiterin des Labors für Nanoskalige Biologie an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, arbeitet seit Jahren an der Verbesserung der Nanopore-Technologie, bei der ein Molekül wie die DNA durch eine winzige Pore in einer Membran geleitet wird, um einen Ionenstrom zu messen. Die Wissenschaftler können die Nukleotidsequenz der DNA - die die genetische Information kodiert - bestimmen, indem sie analysieren, wie jedes einzelne Nukleotid diesen Strom beim Durchgang stört. Die Forschungsergebnisse wurden in Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Derzeit werden der Durchgang von Molekülen durch eine Nanopore und der Zeitpunkt ihrer Analyse von zufälligen physikalischen Kräften beeinflusst, und die schnelle Bewegung der Moleküle macht es schwierig, eine hohe analytische Genauigkeit zu erreichen. Radenovic hat diese Probleme bereits mit optischen Pinzetten und viskosen Flüssigkeiten angegangen. Nun hat eine Zusammenarbeit mit Georg Fantner und seinem Team im Labor für Bio- und Nano-Instrumentierung an der EPFL den erhofften Fortschritt gebracht - mit Ergebnissen, die weit über die DNA hinausgehen könnten.
"Wir haben die Empfindlichkeit von Nanoporen mit der Präzision der Raster-Ionenleitfähigkeitsmikroskopie (SICM) kombiniert, was es uns ermöglicht, spezifische Moleküle und Orte zu erfassen und zu kontrollieren, wie schnell sie sich bewegen. Diese exquisite Kontrolle könnte dazu beitragen, eine große Lücke in diesem Bereich zu schließen", sagt Radenovic. Die Forscher erreichten diese Kontrolle mit Hilfe eines umfunktionierten, hochmodernen Raster-Ionenleitfähigkeitsmikroskops, das kürzlich im Labor für Bio- und Nano-Instrumentierung entwickelt wurde.
Verbesserung der Erfassungspräzision um zwei Größenordnungen
Die zufällige Zusammenarbeit zwischen den Labors wurde durch den Doktoranden Samuel Leitão initiiert. Seine Forschung konzentriert sich auf das SICM, bei dem Variationen im Ionenstrom, der durch eine Sondenspitze fließt, zur Erzeugung hochauflösender 3D-Bilddaten genutzt werden. Im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelte Leitão die SICM-Technologie und wandte sie auf die Abbildung von Zellstrukturen im Nanomaßstab an, wobei er eine Nanopore aus Glas als Sonde verwendete. In dieser neuen Arbeit wandte das Team die Präzision einer SICM-Sonde an, um Moleküle durch eine Nanopore zu bewegen, anstatt sie zufällig hindurch diffundieren zu lassen.
Diese Innovation, die als Scanning Ion Conductance Spectroscopy (SICS) bezeichnet wird, verlangsamt den Moleküldurchgang durch die Nanopore, so dass Tausende von aufeinanderfolgenden Messwerten desselben Moleküls und sogar von verschiedenen Stellen des Moleküls aufgenommen werden können. Die Möglichkeit, die Durchgangsgeschwindigkeit zu kontrollieren und mehrere Messungen desselben Moleküls zu mitteln, hat zu einer Steigerung des Signal-Rausch-Verhältnisses um zwei Größenordnungen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden geführt.
"Besonders aufregend ist, dass diese verbesserte Nachweisfähigkeit mit SICS auf andere Festkörper- und biologische Nanoporen-Methoden übertragbar sein könnte, was diagnostische und Sequenzierungsanwendungen erheblich verbessern könnte", sagt Leitão.
Fantner fasst die Logik des Ansatzes mit einer Analogie aus dem Automobilbereich zusammen: "Stellen Sie sich vor, Sie stehen vor einem Fenster und beobachten, wie Autos hin und her fahren. Es ist viel einfacher, die Nummernschilder zu lesen, wenn die Autos langsamer werden und wiederholt vorbeifahren", sagt er. "Wir können auch entscheiden, ob wir 1.000 verschiedene Moleküle einmal oder das gleiche Molekül 1.000 Mal messen wollen, was einen echten Paradigmenwechsel in diesem Bereich darstellt."
Diese Präzision und Vielseitigkeit bedeutet, dass der Ansatz auch auf Moleküle jenseits der DNA angewandt werden könnte, z. B. auf Proteinbausteine, die so genannten Peptide, was sowohl die Proteomik als auch die biomedizinische und klinische Forschung voranbringen könnte.
"Eine Lösung für die Sequenzierung von Peptiden zu finden, war aufgrund der Komplexität ihrer "Nummernschilder", die aus 20 Zeichen (Aminosäuren) bestehen, im Gegensatz zu den vier Nukleotiden der DNA, eine große Herausforderung", sagt Radenovic. "Für mich ist die aufregendste Hoffnung, dass diese neue Kontrolle einen einfacheren Weg zur Peptidsequenzierung eröffnen könnte."
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