Grafen kan have nøglen til at fremskynde DNA -sekventering

9. september kl. 2010 - I et papir udgivet som omslagshistorien om 9. september, 2010 Natur , forskere fra Harvard University og MIT har vist, at grafen, en overraskende robust plan plade af carbon kun et atom tyk, kan fungere som en kunstig membran, der adskiller to flydende reservoirer.

Ved at bore en lille pore med kun et par nanometer i diameter, kaldet en nanopore, i grafenmembranen, de var i stand til at måle udveksling af ioner gennem poren og demonstrerede, at et langt DNA -molekyle kan trækkes gennem grafen -nanoporen, ligesom en tråd trækkes gennem en nåles øje.

"Ved at måle strømmen af ​​ioner, der passerer gennem en nanopore boret i grafen, har vi vist, at tykkelsen af ​​grafen nedsænket i væske er mindre end 1 nm tyk, eller mange gange tyndere end den meget tynde membran, der adskiller et enkelt dyr eller en menneskelig celle fra dets omgivende miljø, "siger hovedforfatter Slaven Garaj, en forskningsassistent i Institut for Fysik ved Harvard. "Dette gør grafen til den tyndeste membran, der er i stand til at adskille to væskekamre fra hinanden. Membrans tykkelse blev bestemt af dets interaktion med vandmolekyler og ioner."

Graphene, det stærkeste materiale, man kender, har andre fordele. Mest vigtigt, den er elektrisk ledende.

"Selvom membranen forhindrer ioner og vand i at strømme gennem den, grafenmembranen kan tiltrække forskellige ioner og andre kemikalier til sine to atomisk tætte overflader. Dette påvirker grafens elektriske ledningsevne og kan bruges til kemisk måling, "siger medforfatter Jene Golovchenko, Rumford professor i fysik og Gordon McKay professor i anvendt fysik ved Harvard, hvis banebrydende arbejde startede feltet kunstige nanoporer i membraner i fast tilstand.

"Jeg tror, ​​at atomets tykkelse af grafen gør det til en ny elektrisk enhed, der vil give ny indsigt i overfladeprocessers fysik og føre til en lang række praktiske anvendelser, herunder kemisk registrering og detektion af enkeltmolekyler. "

I de senere år har grafen overrasket det videnskabelige samfund med dets mange unikke egenskaber og potentielle anvendelser, lige fra elektronik og solenergi forskning til medicinske applikationer.

Jing Kong, også medforfatter på papiret, og hendes kolleger på MIT udviklede først en metode til storstilet vækst af grafenfilm, der blev brugt i arbejdet.

Grafen blev strakt over en siliciumbaseret ramme, og indsat mellem to separate væskebeholdere. En elektrisk spænding mellem reservoirerne skubbede ionerne mod grafenmembranen. Når en nanopore blev boret gennem membranen, denne spænding kanaliserede ionstrømmen gennem poren og registreret som et elektrisk strømsignal.

Da forskerne tilføjede lange DNA -kæder i væsken, de blev elektrisk trukket en efter en gennem grafen -nanoporen. Når DNA -molekylet træder i nanoporen, det blokerer strømmen af ​​ioner, hvilket resulterer i et karakteristisk elektrisk signal, der afspejler DNA -molekylets størrelse og konformation.

Medforfatter Daniel Branton, Higgins professor i biologi, Emeritus ved Harvard, er en af ​​de undersøgelser, der for mere end et årti siden, initierede brugen af ​​nanoporer i kunstige membraner til at detektere og karakterisere enkelte molekyler af DNA.

Sammen med sin kollega David Deamer ved University of California, Branton foreslog, at nanoporer kunne bruges til hurtigt at læse den genetiske kode, meget som man læser dataene fra en ticker-tape maskine.

Når en DNA -kæde passerer gennem nanoporen, nukleobaserne, som er bogstaverne i den genetiske kode, kan identificeres. Men en nanopore i grafen er den første nanopor, der er kort nok til at skelne mellem to nærliggende nukleobaser.

Flere udfordringer mangler stadig at blive overvundet, før en nanopore kan foretage sådan læsning, herunder kontrol af den hastighed, hvormed DNA trænger gennem nanoporen.

Når det er opnået, nanopore -sekventering kan føre til meget billig og hurtig DNA -sekventering og har potentiale til at fremme personlig sundhedspleje.

"Vi var de første til at demonstrere DNA -translokation gennem en virkelig atomisk tynd membran. Grafens unikke tykkelse kan bringe drømmen om virkelig billig sekventering tættere på virkeligheden. Den kommende forskning vil være meget spændende, "slutter Branton.