Los investigadores de IBM están desarrollando un chip para lograr la secuenciación del ADN de forma más rápida y económica utilizando unas técnicas de fabricación refinadas a través de la manufactura de semiconductores. El chip utiliza unas capas de electrodos para controlar el movimiento de las moléculas de ADN individuales y aprovecha una técnica llamada secuenciación nanoporosa. El método podría permitir que el ADN se pasase a través de un sensor que rápidamente leería su código genético.

La secuenciación nanoporosa resulta atractiva puesto que, al contrario que los métodos de secuenciación actuales, podría ser capaz de leer tiras de ADN sin necesidad de usar etiquetas o cortar y amplificar las enzimas. “Si esto funciona, deberíamos ser capaces de leer decenas de miles de bases sin etiquetas, de forma rápida y económica,” afirma Jeffrey Schloss, director de programa para el desarrollo tecnológico en el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano. Ser capaz de leer largas tiras de ADN sin tener que cortarlo también ayudaría a simplificar la parte del proceso de datos dentro de la secuenciación. “Si eres capaz de hacer lecturas largas, no tienes que asumir nada de la secuencia o hacer que coincida con secuencias ya existentes” para poder armarla de nuevo, afirma Schloss

Varios grupos de investigación están desarrollando su propio método de secuenciación nanoporosa. En todos ellos se hace que las moléculas de ADN se muevan a través de un diminuto poro de base en base; al tiempo que la bases pasan por el poro, se pueden leer utilizando varias técnicas. No obstante uno de los mayores obstáculos para la construcción de un secuenciador nanoporoso práctico reside en el control de la cuota de movimiento del ADN. Este es el problema en el que actualmente trabaja el grupo de IBM. “El ADN pasa a través del poro demasiado rápido,” afirma Gustavo Stolovitzky, director de genómica funcional y biología de sistemas en el Centro de Investigación T.J. Watson de IBM en Yorktown Heights, Nueva York.

Durante los últimos dos años, el grupo de Stolovitzky en IBM ha estado desarrollando unos chips con “transistores de ADN” que usan unas capas de electrodos para controlar el movimiento del ADN. Los electrodos se construyen en la línea de fabricación de investigación de la compañía utilizando la misma tecnología que se emplea para fabricar los circuitos integrados de silicio.

En primer lugar, los investigadores de IBM depositan materiales conductores y semiconductores que actúan como electrodos sobre unas capas de obleas de silicio de unos tres nanómetros de grosor cada una. Después utilizan un microscopio electrónico de transmisión para disparar un agujero de un nanómetro de diámetro en las obleas apiladas. Se corta un trozo de la oblea y se coloca en mitad de un contenedor con cloruro de potasio, como en una partición. Las moléculas de ADN se colocan en un lado de la solución, y después se aplica un voltaje a través del chip. Puesto que el ADN posee carga eléctrica, los investigadores de IBM pueden controlar su movimiento a través del poro mediante el uso de electrodos para crear campos eléctricos.

Los investigadores de IBM están llevando a cabo experimentos simulados para refinar el diseño del chip. Las propiedades del sistema se pueden variar en, por ejemplo, el cambio del grosor de las capaz de crean los electrodos y el tamaño del poro. El movimiento del ADN también se puede alterar utilizando distintos voltajes en los electrodos. No obstante, y en vez de fabricar cada diseño de chip potencial y poner a prueba cada uno de los voltajes, los investigadores están modelando el sistema de nanoporo utilizando el súperordenador Blue Gene de IBM. El software de dicho ordenador es capaz de calcular las propiedades físicas de miles de átomos en una molécula de ADN y en el chip cada picosegundo. Una versión que en la actualidad está siendo desarrollada les permitirá modelar 200.000 átomos a esta misma cuota, afirma Stolovitzky.

El grupo de IBM está trabajando en una serie de métodos para detectar cada base según pasa a través del poro. Mediante unas modificaciones, afirma Stolovitzky, los mismos métodos electrónicos utilizados para controlar el movimiento del ADN se podrían utilizar para medir las propiedades eléctricas que distinguen a cada una de las bases que componen el código genético.

“Consideramos que esto es un problema de datos,” afirma Stephen Rossnagel, investigador en IBM Watson. La secuenciación de un genoma hoy día, afirma Rossnagel, requiere la ordenación de tres gigabits de datos que están “mezclados” y tienen que volver a armarse. La lectura directa de piezas de ADN sin tener que cortarlas ayuda a simplificar este problema, y los transistores de ADN podrían fabricarse en series de gran tamaño, para que cada uno leyese la misma secuencia. Cuantas más veces se lea una tira de ADN, mejor es la calidad de la secuencia resultante. Rossnagel afirma que el método por el que apuesta IBM debería ser más sencillo de integrar con los componentes microelectrónicos necesarios para calcular los datos resultantes.

Según Schloss, los nanoporos de IBM, que se podrían fabricar en grandes series, podrían ser más prácticos que los métodos anteriores. “La forma en que esto se llevaba a cabo anteriormente no permitía la secuenciación,” afirma. Algunos grupos han logrado decelerar el movimiento del ADN a través del poro mediante la inclusión de una molécula de gran tamaño que interfiere con el paso de la tira por el nanoporo. Otros han decidido colocar una enzima en el poro que corta la tira y pasa las bases de forma individual. El control del movimiento del ADN mediante componentes microelectrónicos puede que sea más práctico, y parece permitir un mejor control, señala Schloss.