15.03.2006 - Angewandte Chemie

Genvariationen auf der Spur

"Elektronische" DNA-Sequenzierung: Änderungen der Molekülladung als Signal

Manchmal sind es nur einzelne Basenpaare, in denen sich ein krankes von einem gesunden Gen unterscheidet ("Punktmutationen"). Für eine systematische Erforschung solcher Variationen genauso wie für die Diagnostik erblicher Erkrankungen besteht ein Bedarf an möglichst einfachen, kostengünstigen, raschen Sequenzierungsmethoden. Japanische Forscher haben nun einen neuen Ansatz für ein miniaturisiertes "elektronisches" Verfahren entwickelt, das kleine Unterschiede in DNA-Sequenzen hochempfindlich detektiert. Anders als herkömmliche Methoden kommt es ohne eine Markierung der Basen aus. Es basiert auf einem speziellen Halbleiterelement, einem so genannten Feldeffekttransistor, der Änderungen der Ladung von DNA-Molekülen detektiert.

Für ihre Sequenziermethode benötigen Toshi­ya Sakata und Yuji Miyahara einen Chip, der mehrere Feldeffekttransistoren (FET) trägt. Ein FET ist ein Halbleiterbauteil, das ein elektrisches Feld an seiner Oberfläche "spürt". Auf eine Änderung des Feldes reagiert es mit einer Änderung des Stromflusses durch seinen leitenden Kanal. Die Oberfläche eines solchen FET bestücken die Forscher mit kurzen einsträngigen DNA-Stückchen. Diese Sonden sind die genau passenden Gegenstücke zur Anfangssequenz des zu untersuchenden DNA-Abschnitts. Wird eine Probe aufgegeben, die die Ziel-DNA enthält, bindet diese an die Sonden. Mit Hilfe des Enzyms Polymerase könnte nun die Sonde zu einem vollständigen Gegenstück der Ziel-DNA ergänzt werden, wenn die vier Nucleotide in der Lösung vorhanden wären. Hier der besondere Trick: Der Chip wird abwechselnd in vier verschiedene Lösungen getunkt, die jeweils nur einen einzigen der Bausteine enthalten. Nach jedem Eintunken werden die elektrischen Charakteristika des FET gemessen. Immer dann und auch nur dann, wenn ein Baustein an die wachsende Kette angeknüpft wurde, ist eine Änderung zu verzeichnen. Denn jeder angeknüpfte Baustein bringt eine negative Ladung mit - und diese ändert das elektrische Feld an der Oberfläche des FET. Auf diese Weise lassen sich DNA-Ketten bis zu einer Länge von etwa zehn Bausteinen präzise sequenzieren. Fehlende, zusätzliche oder variierte Nucleotide lassen sich rasch und eindeutig identifizieren.

Da elektrische Signale gemessen werden, ist die Methode sehr leicht zu standardisieren. Miniaturisierte Anordnungen, die mehrere FETs mit verschiedenen Sonden enthalten, lassen die parallele Analyse verschiedener Genabschnitte zu.

Originalveröffentlichung: Y. Miyahara et al.; "DNA Sequencing Based on Intrinsic Molecular Charges"; Angewandte Chemie 2006, 118, 2283.

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