DNA gennem grafen nanoporer

Et team af forskere fra Delft University of Technology (Holland) annoncerer en ny type nanopore-enheder, der kan have en betydelig indvirkning på den måde, vi screener DNA-molekyler på, for eksempel at aflæse deres rækkefølge. I et papir med titlen 'DNA Translocation through Graphene Nanopores' (udgivet online i Nano bogstaver ), de rapporterer om en ny teknik til at fremstille små huller i et lag af grafen, og de formåede at detektere bevægelsen af ​​individuelle DNA-molekyler, der bevæger sig gennem et sådant hul.

Der er et verdensomspændende kapløb om at udvikle hurtige og billige strategier til at sekventere DNA, det er, at aflæse indholdet af vores genom. Særligt lovende for den næste generation af sekventering er enheder, hvor man måler på enkelte molekyler. Forestil dig et enkelt DNA-molekyle fra en af ​​dine celler (3 milliarder baser, 1 meter lang, hvis du vil strække den fra hoved til hale), som aflæses - base pr. base - i realtid, mens du glider mellem to af dine fingre. Dette er, hvad postdoc dr. Gregory Schneider i gruppen af ​​professor Cees Dekker og kolleger fra Kavli Institute of Nanoscience har i tankerne. De demonstrerede nu et første skridt i den retning:At glide et enkelt DNA-molekyle gennem et lille nanoskala hul lavet i den tyndeste membran, som naturen kan tilbyde, et 1-atom tyndt lag grafen.

Grafen er et unikt og meget specielt materiale, og alligevel bredt tilgængeligt:​​Alle har grafen derhjemme:grafit er lavet af lag af grafen og forekommer for eksempel i kulstoffet i blyanter, trækul, eller stearinlys sod. Men i denne forskning, grafen bruges på grund af den særlige egenskab, at man kan lave enkelt-atom-tynde monolag af grafen. Hvorfor er sådan en ultratynd membran vigtig? Lad os gå tilbage til den ledning, der glider mellem dine fingre. Afstanden mellem to baser i DNA er meget lille, omkring en halv nanometer, som er 100.000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår! For at aflæse hver base langs DNA'et, man har derfor brug for en optager, der er mindre end den halve nanometer. Hvis dine fingre kan skaleres ned til den størrelse, du er i erhvervslivet. Og her er disse atomisk tynde grafenmembraner afgørende.

Hvad Schneider og kolleger gjorde, var at fremstille et hul i nanometerskala - kaldet en nanopore - i grafenmembranen, som repræsenterer den ideelle optager. De påviste, at enkelte DNA-molekyler i vand kan trækkes gennem en sådan grafen nanopore og, vigtigt, at hvert DNA-molekyle kan påvises, når det passerer gennem poren. Detektionsteknikken er meget enkel:ved påføring af en elektrisk spænding over nanopore, ioner i opløsningen begynder at strømme gennem hullet, og der detekteres en strøm. Denne strøm bliver mindre, hver gang et DNA-molekyle trænger ind i nanoporen og delvist blokerer for ionstrømmen. Hvert enkelt DNA-molekyle, der glider gennem poren, detekteres altså ved et fald i strømmen.

DNA'et flytter base pr. base gennem nanoporen. Med den atomare tynde grafen nanopore har man i princippet potentialet til at aflæse DNA-sekvensen, base pr. base. En række grupper verden over har forsøgt at realisere grafen-nanoporer. Schneider et al er de første til at rapportere deres resultater i denne uge.

DNA-translokation gennem nanoporer er blevet udviklet før af Dekker-laboratoriet og andre, for eksempel ved brug af SiN-membraner. Grafen nanoporer giver nye muligheder – mange flere end sekventering. Siden grafen, i modsætning til SiN, er en fremragende dirigent, et oplagt næste skridt er at bruge grafens iboende ledende egenskaber. Nanoporer tilbyder en række muligheder for sensorer til videnskab og applikationer.