Licht auf die DNA: ein schnelles, hochempfindliches, PCR-freies Nachweisverfahren
Neuer lichtbetriebener DNA-Nachweis ermöglicht leichter zugängliche, erschwingliche genetische Analysen
Wissenschaftler der Osaka Metropolitan University haben eine lichtinduzierte DNA-Detektionstechnik unter Verwendung heterogener Sondenpartikel entwickelt, die eine hochempfindliche und ultraschnelle genetische Analyse ohne PCR-Verstärkung ermöglicht. Dieser Fortschritt ebnet den Weg für eine schnellere, kostengünstigere und präzisere genetische Analyse in der Medizin, der Umweltwissenschaft und der tragbaren Diagnostik.
Licht beschleunigt die DNA-Hybridisierung mit Gold-Nanopartikeln und Polystyrol-Mikropartikeln als Sonden für den PCR-freien DNA-Nachweis.
Osaka Metropolitan University
Gentests, die für die Diagnose von Infektionskrankheiten, die Erkennung von Krebs im Frühstadium, die Überprüfung der Lebensmittelsicherheit und die Analyse von Umwelt-DNA unerlässlich sind, haben sich lange Zeit auf die PCR (Polymerase-Kettenreaktion) als Goldstandard verlassen. Seit der COVID-19-Pandemie ist der Begriff "PCR" Teil unseres allgemeinen Wortschatzes geworden. Doch wie diejenigen unter uns wissen, die sie erlebt haben, sind PCR-Tests weder billig noch schnell; sie erfordern in der Regel zentralisierte Labors, sperrige Geräte und speziell geschultes Personal.
"Unsere lichtinduzierte Methode weist DNA nach, ohne dass eine PCR erforderlich ist", schreiben Shuichi Toyouchi, ein Projektdozent, Prof. Shiho Tokonami, der stellvertretende Direktor, und Takuya Iida, der Direktor des Forschungsinstituts für lichtinduziertes Beschleunigungssystem (RILACS) der Osaka Metropolitan University, als Hauptautoren dieser Studie.
Im Gegensatz zur PCR, bei der DNA-Sequenzen vervielfältigt werden, indem Millionen von Kopien der Ziel-DNA für den Nachweis hergestellt werden, wird bei dieser Methode die DNA direkt nachgewiesen, indem sie konzentriert und die Spezifität durch starke optische Kräfte und photothermische Effekte erhöht wird.
Das Team entwickelte ein System mit heterogenen Sondenpartikeln, darunter Gold-Nanopartikel und Polystyrol-Mikropartikel. Bei diesen Sonden handelt es sich um kurze, bekannte DNA-Sequenzen, die so konzipiert sind, dass sie mit komplementären Sequenzen in der Ziel-DNA hybridisieren bzw. sich an diese binden. Bei diesem als DNA-Hybridisierung bezeichneten Prozess binden sich die übereinstimmenden Stränge aneinander, wodurch die Paarung durch Fluoreszenz nachweisbar wird.
Anschließend bestrahlten die Forscher die Lösung, die die Ziel-DNA und die Sondenpartikel enthält, mit Laserlicht. Wenn die Größe der Partikel mit der Wellenlänge des Lasers übereinstimmt, tritt ein Phänomen auf, das Mie-Streuung genannt wird und optische Kräfte erzeugt, die die Partikel bewegen und die Hybridisierung der DNA beschleunigen. Die Goldnanopartikel absorbieren das Laserlicht und erzeugen so eine lokale Wärme, den sogenannten photothermischen Effekt, der die Hybridisierungsspezifität weiter erhöht.
"Mit nur etwa fünf Minuten Laserlichtbestrahlung zeigte unsere Methode ein großes Potenzial für den präzisen Mutationsnachweis mit einer Empfindlichkeit, die um eine Größenordnung höher ist als die der digitalen PCR", schreiben Toyouchi, Tokonami und Iida.
Durch den Wegfall der PCR-Amplifikation senkt diese Methode die Kosten, vereinfacht die Tests und beschleunigt die Ergebnisse, wodurch die genetische Analyse für Anwendungen im täglichen Leben zugänglicher wird - von der Gesundheitsfürsorge und Lebensmittelsicherheit bis hin zum Umweltschutz und der Überwachung der persönlichen Gesundheit.
"Unser Ziel ist es, diese PCR-freie Technologie in der hochempfindlichen Krebsdiagnostik, in der biowissenschaftlichen Quantenforschung und sogar bei DNA-Tests zu Hause oder in der Umwelt anzuwenden", so Iida.
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