Første skridt mod elektronisk DNA-sekventering:Translokation gennem grafennanoporer

Forskere ved University of Pennsylvania har udviklet en ny, kulstofbaseret platform i nanoskala til elektrisk detektering af enkelte DNA-molekyler.

Brug af elektriske felter, de bittesmå DNA-strenge bliver skubbet igennem i nanoskala, atomisk tynde porer i en grafen nanopore platform, der i sidste ende kan være vigtig for hurtig elektronisk sekventering af de fire kemiske baser af DNA baseret på deres unikke elektriske signatur.

Porerne, brændt ind i grafenmembraner ved hjælp af elektronstråleteknologi, give Penn-fysikere elektroniske målinger af translokation af DNA.

Artiklen, indsendt den 25. marts, er udgivet i det aktuelle nummer af Nano bogstaver .

"Vi blev motiveret til at udnytte de unikke egenskaber ved grafen-et todimensionalt ark med carbonatomer-for at udvikle en ny nanopore elektrisk platform, der kunne udvise høj opløsning, " sagde Marija Drndić, lektor ved Institut for Fysik og Astronomi i Penns School of Arts and Sciences og avisens seniorforfatter. "Høj opløsning af grafen nanopore-enheder forventes, fordi tykkelsen af ​​grafenarket er mindre end afstanden mellem to DNA-baser. Grafen har tidligere været brugt til andre elektriske og mekaniske enheder, men indtil nu har det ikke været brugt til DNA-translokation."

Forskergruppen havde lavet grafen -nanoporer i en undersøgelse, der blev afsluttet for to år siden, og i denne undersøgelse satte porerne i gang.

For at udføre eksperimenterne, Drndić og postdoc Christopher A. Merchant, sammen med Ken Healy, Meni Wanunu, Vishva Ray og andre medlemmer fra Drndić-laboratoriet gjorde brug af stort område grafenmateriale udviklet af postdoktor Zhengtang Luo og professor A.T. Charlie Johnson, begge fysikere ved Penn. Holdet brugte en kemisk dampaflejring, eller CVD, metode til at dyrke store flager af grafen og suspendere dem over et enkelt mikronstort hul lavet i siliciumnitrid. Et endnu mindre hul, nanoporen i midten af ​​det suspenderede grafen, blev derefter boret med en elektronstråle fra et transmissionselektronmikroskop, eller TEM.

Fast-state nanoporer har vist sig at være uvurderlige værktøjer til at sondere biologi på enkelt-molekyle niveau.

Graphene nanopore-enheder udviklet af Penn-teamet fungerer på en enkel måde. Poren deler to kamre med elektrolytopløsning, og forskere anvender spænding, som driver ioner gennem porerne. Iontransport måles som en strøm, der løber fra spændingskilden. DNA molekyler, indsat i elektrolytten, kan køres enkelt fil gennem sådanne nanoporer.

Når molekylerne translokerer, de blokerer for ionstrømmen og detekteres som et fald i den målte strøm. Fordi de fire DNA-baser blokerer strømmen forskelligt, grafennanoporer med en tykkelse på under nanometer kan give en måde at skelne mellem baser på, realisere en lavpris, high-throughput DNA-sekventeringsteknik.

Ud over, at øge robustheden af ​​grafen nanopore-enheder, Penn -forskere deponerede også et ultratyndt lag, kun få atomlag tykke, af titaniumoxid på membranen, som yderligere genererede et renere, lettere befugtelig overflade, der gør det lettere for DNA'et at gå igennem den. Selvom grafen-kun nanoporer kan bruges til at translokere DNA, belægning af grafenmembranerne med et lag af oxid reducerede konsekvent nanopore-støjniveauet og forbedrede samtidig enhedens robusthed.

På grund af den ultratynde karakter af grafenporerne, forskere var i stand til at detektere en stigning i størrelsen af ​​translokationssignalerne i forhold til tidligere faststofnanoporer lavet i siliciumnitrid, for lignende påførte spændinger.

Penn -teamet arbejder nu på at forbedre disse enheders generelle pålidelighed og udnytte ledningsevnen af ​​grafenarket til at skabe enheder med tværgående elektrisk kontrol over DNA -transport. Specifikt, denne tværgående elektriske kontrol kan opnås ved at skære grafen ind i nanoelektroder og udnytte dens ledende natur. Mod dette mål, Michael Fischbein og Drndic har tidligere demonstreret nanoskulpturering af grafen til vilkårlige strukturer, såsom nanobånd, nanoporer og andre former, udgivet i Anvendt fysik bogstaver i 2008, skabe et solidt grundlag for fremtidig forskning.