Bøjede nanoporer sænker DNA-passage for lettere sekventering

(PhysOrg.com) -- I en innovation, der er afgørende for forbedret DNA-sekventering, en markant langsommere transmission af DNA gennem nanoporer er blevet opnået af et hold ledet af Sandia National Laboratories forskere.

Fast-state nanoporer skulptureret af siliciumdioxid er generelt lige, små tunneler mere end tusind gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår. De bruges som sensorer til at detektere og karakterisere DNA, RNA og proteiner. Men disse materialer skyder gennem sådanne huller så hurtigt, at sekventering af DNA'et, der passerer gennem dem, for eksempel, er et problem.

I et papir offentliggjort i denne uge online (23. juli) i Naturmaterialer (hardcopy beregnet til august, bind 9, s. 667-675), et hold ledet af Sandia National Laboratories-forskere rapporterer, at de bruger selvsamlingsteknikker til at fremstille lige så små, men knækkede nanoporer. Kombineret med atomlagsaflejring for at modificere de kemiske egenskaber af nanoporerne, innovationerne opnår en femdobling af de spændingsdrevne translokationshastigheder, der er kritisk nødvendige i DNA-sekventering. (Translokation involverer DNA ind i og passerer fuldstændigt gennem porerne, som kun er lidt bredere end selve DNA'et.)

"Ved kontrol af porestørrelse, længde, form og sammensætning, " siger ledende forsker Jeff Brinker, "vi fanger den vigtigste funktionelle adfærd af proteinporer i vores solid-state nanopore-system." Vigtigheden af ​​en femdobbelt opbremsning i denne form for arbejde, Brinker siger, er stor.

Det er også værd at bemærke teknikkens evne til at adskille enkelt- og dobbeltstrenget DNA i et array-format. "Der er lovende DNA-sekventeringsteknologier, der kræver dette, siger Brinker.

Ideen om at bruge syntetiske faststof-nanoporer som enkeltmolekyle-sensorer til påvisning og karakterisering af DNA og dets søstermaterialer er i øjeblikket under intensiv undersøgelse af forskere over hele verden. Fremstødet var inspireret af den udsøgte selektivitet og flux demonstreret af naturlige biologiske kanaler. Forskere håber at efterligne denne adfærd ved at skabe mere robuste syntetiske materialer, der er lettere integreret i praktiske enheder.

Nuværende videnskabelige procedurer tilpasser dannelsen af ​​nominelt cylindriske eller koniske porer vinkelret på en membranoverflade. Disse er mindre i stand til væsentligt at bremse passagen af ​​DNA end de knækkede nanoporer.

"Vi havde en ret simpel idé, " siger Brinker. "Vi bruger de selvsamlingsmetoder, vi var banebrydende for at lave ultratynde membraner med ordnede arrays af omkring 3 nanometer i diameter porer. Vi justerer derefter porestørrelsen yderligere via en atomlags-aflejringsproces, vi opfandt. Dette giver os mulighed for at kontrollere porediameteren og overfladekemien på subnanometerskalaen. Sammenlignet med andre solid state nanoporer udviklet til dato, vores system kombinerer finere kontrol af porestørrelsen med udviklingen af ​​en kinked pore pathway. I kombination, disse gør det muligt at sænke DNA-hastigheden."

Arbejdet er støttet af Air Force Office of Scientific Research, Department of Energy's Basic Energy Sciences og Sandias Laboratory Directed Research and Development kontor.