211service.com
Är det mjältbrand eller bara vitt pulver?
När en patient läggs in på sjukhuset med tecken på en farlig systemisk bakterieinfektion, eller när en postarbetare hittar vitt pulver i ett kuvert som ser misstänkt ut, är förmågan att snabbt identifiera potentiella patogener viktig. För att åstadkomma det utvecklar ett team av forskare från Massachusetts ett mikrofluidiskt chip som utför snabb DNA-sekvensering för att snabbt identifiera bakterier. Målet är en enhet som är enkel att använda vid flygplats- och annan säkerhetskontroll.
En mikrofluidisk enhet som utvecklas av U.S. Genomics and Draper Laboratory skannar DNA-strängar för att snabbt identifiera bakterier i ett prov.
För att identifiera bakterierna i ett blodprov eller i en byggnads ventilationssystem måste forskare eller läkare vanligtvis börja med att locka den att växa i odling i labbet. Detta tar cirka 14 till 48 timmar. Under tiden kan en patient med en läkemedelsresistent infektion få fel antibiotika, eller så kan akutsjukvård missa tecknen på en potentiell bioterrorattack.
Forskare vid U.S. Genomics , i Woburn, MA och Draper Laboratory , i Cambridge, MA, arbetar tillsammans för att förbättra teknik som möjliggör sekvensering och identifiering av bakterier och andra patogener utan odling. Forskarna läser inte varje enskild bas på en DNA-sträng, men de letar efter distinkta mönster för upprepning av en enda, mycket kort sekvens. Det finns bara fyra element i den genetiska koden, så sex till åtta baslängder som GTAGCC förekommer många gånger inom alla genom. Men i varje art kommer en sådan sekvens att inträffa i ett unikt mönster. Även olika stammar av samma typ av bakterier kommer att ha unika identifieringsmönster för en given kort sekvens.
U.S. Genomics har byggt en databas med dessa mönster, som de kallar streckkoder, för många bakteriearter och -stammar. Eftersom arbetet finansieras av U.S. Department of Homeland Security kommer företaget inte att avslöja hur många patogener som finns i dess databas eller vilka de är. Personalforskaren Jeff Krogmeier säger att den statliga myndigheten är intresserad av ett instrument som skulle sitta på en flygplats, köpcentrum eller annat offentligt område och kontinuerligt övervaka luften. Dess kompakta analyschip är ett steg i denna riktning genom att det kan identifiera bakterier baserat på analys av långa DNA-strängar som inte behöver behandlas omfattande. Vi behöver bara några molekyler [av DNA], säger Krogmeier.
Först måste DNA extraheras från provet och märkas med en fluorescerande tagg som bara fäster på platser längs strängen där den korta sekvensen av intresse inträffar. (U.S. Genomics arbetar för att förenkla detta steg, som för närvarande måste göras i labbet.) Enstaka långa DNA-molekyler matas sedan in i ett mikrofluidiskt chip, där hydrostatiskt tryck drar dem med konstant hastighet genom en smal kanal. När det märkta DNA:t strömmar genom kanalen passerar det över en mycket smalt fokuserad ljusstråle. När DNA:t passerar över strålen fluorescerar etiketterna. Ljusblixtar från etiketterna registreras som en streckkod och jämförs med U.S. Genomics-databasen för att identifiera organismen som DNA:t kom från.
I den nuvarande inkarnationen av företagets DNA-chip läses streckkodsmönstren med en upplösning på 0,5 mikrometer. Den version som utvecklas av U.S. Genomics and Draper Laboratory använder en vågledare och nanoantenner för att fokusera ljuset till en punktstorlek som är mycket mindre än halva dess våglängd, vilket ger mycket högre upplösning och gör att enheten kan läsa kortare trådar med större noggrannhet. Dessutom är ljuset från dessa antenner 10 gånger så intensivt, vilket betyder en starkare signal, säger Jonathan Bernstein, en Draper-forskare som arbetar med projektet. Och att fokusera ljuset med nanoantennerna istället för med en lins gör att chipsen är mer kompakta och robusta.
Krogmeier säger att U.S. Department of Homeland Security inte bara är intresserade av att identifiera patogener, utan också av att identifiera om de har manipulerats. En bioterrorist som försöker göra mjältbrand eller E coli mer dödliga eller lättare spridda skulle ofta försöka göra det genom att lägga till långa sträckor av DNA från en annan organism. U.S. Genomics-chippet, säger Krogmeier, skulle kunna upptäcka sådan manipulation.
Bernstein säger att mikrofluidkanalerna också kan vara användbara för att titta på molekyler förutom DNA. Vanliga labbtekniker som PCR, den process som används för att göra många kopior av en enda DNA-sträng, finns helt enkelt inte för att studera RNA och proteiner; som ett resultat är de svårare att identifiera och manipulera. Det mesta av cellen är inte DNA, säger Bernstein. Något som det mikrofluidiska chipet han har utvecklat för U.S. Genomics, säger han, kan vara till stor hjälp för att studera andra biologiska molekyler.