Forskere gør fremskridt inden for nanoteknologiske gensekventeringsteknik

(Phys.org) – Tiltrækningen ved personlig medicin har skabt nye, mere effektive måder at sekventere gener på en topprioritet i forskningen. En lovende teknik involverer læsning af DNA-baser ved hjælp af ændringer i elektrisk strøm, når de føres gennem et nanoskopisk hul.

Nu, et hold ledet af University of Pennsylvania fysikere har brugt faststof-nanoporer til at differentiere enkeltstrengede DNA-molekyler, der indeholder sekvenser af en enkelt gentagen base.

Undersøgelsen blev ledet af Marija Drndić, en lektor ved Institut for Fysik og Astronomi på School of Arts and Sciences, sammen med kandidatstuderende Kimberly Venta og Matthew Puster og post-doc-forskerne Gabriel Shemer, Julio A. Rodriguez-Manzo og Adrian Balan. De samarbejdede med adjunkt Jacob K. Rosenstein fra Brown University og professor Kenneth L. Shepard fra Columbia University.

Deres resultater blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

I denne teknik, kendt som DNA-translokationsmålinger, DNA-strenge i en saltopløsning drives gennem en åbning i en membran af et påført elektrisk felt. Når hver bund af strengen passerer gennem poren, det blokerer nogle ioner i at passere igennem på samme tid; forstærkere knyttet til nanopore-chippen kan registrere det resulterende fald i elektrisk strøm. Fordi hver base har en anden størrelse, forskere håber at bruge disse data til at udlede rækkefølgen af ​​baserne, når strengen passerer igennem. Forskellene i basisstørrelser er så små, imidlertid, at proportionerne af både nanoporerne og membranerne skal være tæt på dem af selve DNA-strengene - en stor udfordring.

De nanopore-enheder, der er tættest på at være en kommercielt levedygtig mulighed for sekventering, er lavet af proteinporer og lipid-dobbeltlag. Sådanne proteinporer har ønskelige proportioner, men lipid-dobbeltlagsmembranerne, hvori de er indsat, er beslægtet med en sæbefilm, hvilket lader meget tilbage at ønske med hensyn til holdbarhed og robusthed.

Solid-state nanopore-enheder, som er lavet af tynde faststofmembraner, tilbyder fordele i forhold til deres biologiske modstykker - de kan lettere sendes og integreres med anden elektronik - men de grundlæggende demonstrationer af proof-of-principle-følsomhed over for forskellige DNA-baser har været langsommere.

"Mens biologiske nanoporer har vist evnen til at opløse enkelte nukleotider, solid-state alternativer har haltet på grund af to udfordringer med faktisk at fremstille de rigtige porer og opnå højt signal, målinger med lav støj og høj båndbredde, " sagde Drndić. "Vi angriber de to udfordringer her."

Fordi mekanismen, hvorved nanoporen skelner mellem en type base og en anden, er ved mængden af ​​porens åbning, der er blokeret, jo mindre en pores diameter, jo mere præcis er den. For at nanoporen skal være effektiv til at bestemme en sekvens af baser, dens diameter skal nærme sig diameteren af ​​DNA'et, og dens tykkelse skal nærme sig tykkelsen af ​​mellemrummet mellem en base og den næste, eller omkring 0,3 nanometer.

For at få faststof nanoporer og membraner i disse bittesmå proportioner, forskere, herunder Drndićs gruppe, undersøger banebrydende materialer, såsom grafen. Et enkelt lag af kulstofatomer i et sekskantet gitter, grafenmembraner kan laves lidt som omkring 0,5 nanometer tykke, men har deres egne ulemper, der skal løses. For eksempel, selve materialet er hydrofobt, gør det sværere at føre DNA-strenge igennem dem.

I dette eksperiment, Drndić og hendes kolleger arbejdede med et andet materiale - siliciumnitrid - i stedet for at forsøge at fremstille enkeltatom-tykke grafenmembraner til nanoporer. Behandlet siliciumnitrid er hydrofilt og har let tilladt DNA-translokationer, som målt af mange andre forskere i løbet af det sidste årti. Og mens deres membran er tykkere, omkring 5 nanometer, siliciumnitridporer kan også nærme sig grafen med hensyn til tyndhed på grund af den måde, de er fremstillet på.

"Måden vi laver nanoporerne i siliciumnitrid får dem til at spidse af, så den effektive tykkelse er omkring en tredjedel af resten af ​​membranen, " sagde Drndić.

Drndić og hendes kolleger testede deres siliciumnitrid nanopore på homopolymerer, eller enkeltstrenge af DNA med sekvenser, der kun består af én base gentaget flere gange. Forskerne var i stand til at foretage forskellige målinger for tre af de fire baser:adenin, cytosin og thymin. De forsøgte ikke at måle guanin, da homopolymerer lavet med den base binder tilbage på sig selv, gør det sværere at passere dem gennem nanoporerne.

"Vi viser, at disse små porer er følsomme over for basisindholdet, " sagde Drndić, "og vi så disse resultater i porer med diametre mellem 1 og 2 nanometer, hvilket faktisk er opmuntrende, fordi det antyder, at en vis produktionsvariation kan være i orden."