Forschende der Osaka Metropolitan University haben eine lichtinduzierte DNA-Detektionstechnik unter Verwendung heterogener Sondenpartikel entwickelt, die eine ultraempfindliche und ultraschnelle Genanalyse ohne PCR-Verstärkung ermöglicht. Dieser Fortschritt ebnet den Weg für eine schnellere, erschwinglichere und präzisere genetische Analyse in der Medizin, der Umweltwissenschaft und der tragbaren Diagnostik.

Als Mittel zur Analyse von Veränderungen in der DNA haben sich 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 – lange Zeit auf die PCR (Polymerase-Kettenreaktion) als Goldstandard verlassen. Seit der COVID-19-Pandemie ist der Begriff “PCR” Teil unseres allgemeinen Wortschatzes geworden. Aber wie diejenigen von uns, die sie erlebt haben, wissen, 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 Research Institute for Light-induced Acceleration System (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, weist diese Methode DNA direkt nach, indem sie sie konzentriert und die Spezifität durch starke optische Kräfte und photothermische Effekte erhöht.

Das Team entwickelte ein System, das heterogene Sondenpartikel verwendet, 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 oder binden. Dieser als DNA-Hybridisierung bezeichnete Prozess ermöglicht die Bindung der übereinstimmenden Stränge, wodurch die Paarung durch Fluoreszenz nachweisbar wird.

Die Forscher bestrahlten dann die Lösung mit der Ziel-DNA und den Sondenpartikeln 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 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 genauen 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”, sagte Iida.

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Redaktion: X-Press Journalistenbüro GbR

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