Grafen og DNA:Vidundermateriale kan holde nøglen til hurtigt, billig genetisk sekventering

(PhysOrg.com) - Se på spidsen af ​​den gamle blyant i din skrivebordsskuffe, og hvad du vil se er lag af grafit, der er tusinder af atomer tykke. Brug blyanten til at tegne en streg på et stykke papir, og mærket, du vil se på siden, består af hundredvis af etatomlag.

Men da forskere fandt en måde - at bruge, i det væsentlige, et stykke almindeligt klæbende tape - for at fjerne et lag grafit, der kun var et enkelt atom tykt, de kaldte det todimensionale materiale grafen og, i 2010, vandt Nobelprisen i fysik for opdagelsen.

Nu, forskere ved University of Delaware har udført højtydende computermodellering for at undersøge en ny tilgang til ultrahurtig DNA-sekventering baseret på små huller, kaldet nanoporer, boret ned i et ark grafen.

"Graphen er et todimensionalt ark med carbonatomer arrangeret i et bikagemønster" Branislav Nikolic, lektor i fysik og astronomi, sagde. "Den mekaniske stabilitet af grafen gør det muligt at bruge en elektronstråle til at forme en nanopore i et suspenderet ark af grafen, som demonstreret i 2008 af Marija Drndić ved University of Pennsylvania. ”

Graphene har været blandt de hurtigst voksende studieområder inden for nanovidenskab og teknologi i løbet af de sidste fem år, Sagde Nikolic. Han kalder det et vidundermateriale, der har bemærkelsesværdigt mekanisk, elektroniske og optiske egenskaber og undersøges for en række forskellige applikationer lige så forskellige som plastemballage og næste generations gigahertz-transistorer.

I den sekventering, som han og andre fysikere har foreslået, et lille hul et par nanometer i diameter bores i et ark grafen, og DNA trækkes gennem den nanopore. Derefter, en strøm af ioner, der flyder lodret gennem poren, eller en elektronisk strøm, der flyder på tværs af grafen, bruges til at detektere tilstedeværelsen af ​​forskellige DNA -baser i nanoporen.

"Da grafen kun er et atom tykt, den nanopore, gennem hvilken DNA er trådet, har kontakt med kun en enkelt DNA -base, ”Sagde Nikolic.

I 2010, tre eksperimentelle teams - ledet af Jene Golovchenko fra Harvard, Cees Dekker fra Delft og Drndić-demonstrerede DNA-påvisning ved hjælp af nanoporer i grafen med stort område. Imidlertid, Nikolic sagde, processen gik for hurtigt til, at den eksisterende elektronik kunne detektere enkelte DNA -baser.

Det nye apparatkoncept, som UD -forskerne foreslår, bruger grafen -nanoribbons - tynde strimler af grafen, der er mindre end 10 nanometer brede - med en nanopor boret i deres indre. Kemikere, ingeniører, materialeforskere og fysikere har i løbet af de sidste tre år udtænkt forskellige metoder til at fremstille nanoribbons med et specifikt zigzagmønster af kulstofatomer langs deres kanter, Sagde Nikolic. Nanoribbons kunne muliggøre hurtig og billig (mindre end $ 1, 000) DNA -sekventering, han sagde, på grund af de kvantemekanisk genererede elektroniske strømme, der strømmer langs disse kanter.

Sådan hurtig og billig DNA -sekventering kan indlede en æra med personlig medicin, Sagde Nikolic.

"Vi brugte den viden, der er opnået fra flere års teoretisk og beregningsmæssig forskning om elektronisk transport i grafen, til at øge størrelsen af ​​detektionsstrømmen i vores biosensor med tusinde til millioner gange i forhold til andre nyligt betragtede enheder, "Sagde Nikolic." For to år siden, forskere ville have fortalt mig, at vores enhed var umulig, men der er så mange mennesker, der arbejder med grafen, at intet er umuligt længere.

"Hver gang fysikere mener, at noget er umuligt, materialeforskere eller kemikere kommer til undsætning - og omvendt. "

Nikolic sagde, at han og postdoktorforsker Kamal Saha har brugt deres hjemmelavede massivt parallelle beregningskoder til at simulere driften af ​​den foreslåede nanoelektroniske biosensor ud fra første principper, ved hjælp af supercomputeren Chimera, som UD erhvervede med støtte fra et National Science Foundation -tilskud.

"Dette projekt skal køre på 500-1, 000 processorer i flere måneder kontinuerligt, "sagde han." Vi kunne ikke have gjort det, uden at UD Chimera blev fuldt operationel i begyndelsen af ​​2011. "

Nikolic, Saha og Drndić har for nylig offentliggjort resultaterne af denne forskning i en artikel i det prestigefyldte Nano bogstaver , et tidsskrift med en effektfaktor på 12.219 udgivet af American Chemical Society. Kollegaer, ledet af Drndić ved University of Pennsylvania, vil nu søge at fremstille biosensorerne i deres laboratorium, styret af simuleringerne i artiklen. Nikolic sagde, at denne forskningssynergi vil, på tur, muliggøre simuleringer af forbedrede enhedsdesign.