DNA-scheiding: van uren naar minuten

Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben een glazen microchip ontwikkeld voor ultrasnelle scheiding en zuivering van DNA-fragmenten. De chip is ook nog eens eenvoudig en goedkoop te produceren.

De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Microsystems en Nano-Engineering, een uitgave van Nature.

Waar conventionele scheiding van DNA-fragmenten uren vergt, kan de nieuwe chip dit in minuten. Dat gebeurt in hoge resolutie, en de DNA fragmenten worden meteen ook gezuiverd van zouten. Na het Human Genome Project, waarin het menselijk DNA in kaart is gebracht, gaat het nu over tweede generatie DNA-sequencing, met kleine fragmenten. Voor die analyse is de nieuwe chip bij uitstek geschikt, evenals voor medische en forensische toepassingen.

UT-onderzoeker dr. Burcu Gumuscu en haar collega’s bereiken de hoge snelheid met een nieuwe benadering van de veelgebruikte ‘gel elektroforese’ techniek. Normaal gesproken beweegt het DNA dan in een gel, in een elektrisch veld. Grote fragmenten bewegen langzamer dan kleine, en zo is scheiding mogelijk. De moleculen bewegen in een rechte lijn, het elektrisch veld staat ook in één richting. Waarom zouden we dat niet eens variëren, was de gedachte: als je het veld afwisselt met een veld dat daar loodrecht op staat en dat een andere sterkte heeft, leggen grotere fragmenten een ander traject af, ongeveer zoals een slang beweegt, dan kleine. Dat maakt de scheiding veel sneller dan via de éénrichting-techniek.

De nieuwe chip heeft daarvoor een scheidingskamer van ongeveer een vierkante centimeter, met microkanaaltjes aan de zijkanten die de fragmenten van verschillende grootten opvangen. Aansluitingen voor het aanleggen van de elektrische velden, en een DNA-reservoir maken het systeem compleet. Met basistechnieken uit de cleanroom van het MESA+ NanoLab is deze chip eenvoudig en goedkoop te fabriceren. Daarnaast is de chip veelzijdig: door het variëren van de veldsterkten of door een ander type gel toe te passen, zijn ook andere toepassingen mogelijk zoals de scheiding van eiwitten.

Het onderzoek laat zien dat DNA fragmenten met een grootte van tussen de 0,5 kbp en 10 kbp (de maat voor de grootte is het aantal basenparen, 1 kbp zijn duizend basenparen) binnen twee minuten zijn te splitsen. Dit zijn typisch de kleinere fragmenten die een hoofdrol spelen in tweede generatie DNA-sequencing en klinisch-genetische toepassingen.