Japan: Forscher entwickeln Maschine zur automatischen DNA-Entschlüsselung

Ansatz zur DNA-Entschlüsselung: Nano-Pore erkennt Erbgut

Japanische Forscher haben eine winzige Apparatur gebaut, die chemische Bausteine der Erbsubstanz DNA elektrisch auslesen kann. Das berichtet die Gruppe um Makusu Tsutsui von der Universität Osaka im Journal "Nature Nanotechnology". Der experimentelle Aufbau kann derzeit nur einzelne chemische Bausteine erkennen, aber noch nicht den vollständigen, langen DNA-Faden.

Genetiker hoffen aber, dass genau dies eines Tages möglich sein wird. Eine solche Maschine, so die Erwartung, könnte ein komplettes Genom binnen einiger Stunden lesen – bisher sind eher Wochen nötig. Auch die Kosten würden mit der direkten elektrischen Sequenzierung in den Keller rauschen. 400.000 DNA-Bausteine in der Stunde wurden bereits als möglich angesehen.
"Tunnelstrom" gibt Aufschluss

Der Aufbau von Tsutsui besteht im Wesentlichen aus zwei extrem feinen goldenen Elektroden. Diese lassen zwischen sich einen Abstand von gerade einem Nanometer. Das ist nur ein Millionstel Millimeter, und diese Lücke ist in etwa so groß wie die vier chemischen DNA-Bausteine Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin (A, T, C und G). Wird eine elektrische Spannung an die beiden sehr nahen Elektroden angelegt, kommt es zu einem quantenmechanischen Effekt: Es bildet sich ein schwacher, aber zuverlässig messbarer sogenannter Tunnelstrom, einige Elektronen tunneln durch die isolierende Barriere hindurch. Dieser Tunnelstrom ändert sich, je nachdem welcher der vier DNA-Bausteine gerade zwischen den Elektroden liegt.

Wenn die DNA-Bausteine also eines Tages durch den feinen Abstand hindurchgefädelt werden wie ein Faden durch ein Nadelöhr, ließe sich aus dem wechselnden Tunnelstrom die Abfolge der Bausteine herauslesen. Die Gruppe um Tsutsui arbeitet derzeit mit den einzelnen DNA-Bausteinen, an denen zudem noch jene Strukturen hängen, mit denen sie zum fertigen Erbgutstrang zusammengefügt werden (die sogenannten Monophosphate, also Tmp, Cmp und Gmp).

Gelöst in höchst reinem Wasser wurden die Bausteine zu den Goldelektroden gepumpt und änderten dort, wie erwartet, den Tunnelstrom. Die Einflüsse von Tmp, Cmp und Gmp auf den Stromfluss sind tatsächlich unterschiedlich – das können Tsutsui und die Helfer mit einiger Mühe aus den elektrischen Signalen herauslesen. Auch in einer Mischung mit denselben Mengen Tmp und Gmp ließ sich unterscheiden, welches Molekül gerade zwischen den Elektroden steckte.