Nyt materiale kan forbedre hurtig og præcis DNA -sekventering

Genbaseret personlig medicin har mange muligheder for diagnose og målrettet terapi, men en stor flaskehals:den dyre og tidskrævende DNA-sekventeringsproces.

Nu, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har fundet ud af, at nanoporer i materialet molybdendisulfid (MoS2) kunne sekvensere DNA mere præcist, hurtigt og billigt end noget, der endnu er tilgængeligt.

"Et af de store områder inden for videnskaben er at sekvensere det menneskelige genom for under $ 1, 000, 'genomet derhjemme, sagde Narayana Aluru, en professor i mekanisk videnskab og teknik ved U. of I., der ledede undersøgelsen. "Der er nu jagt på at finde det rigtige materiale. Vi har brugt MoS2 til andre problemer, og vi tænkte, hvorfor prøver vi ikke det og ser, hvordan det fungerer med DNA -sekventering? "

Det viser sig, MoS2 overgår alle andre materialer, der bruges til nanopore DNA -sekventering - endda grafen.

En nanopore er et meget lille hul boret gennem et tyndt stykke materiale. Poren er bare stor nok til, at et DNA -molekyle kan trænge igennem. En elektrisk strøm driver DNA'et gennem nanoporen, og udsvingene i strømmen, når DNA'et passerer gennem poren, fortæller sekvensen af ​​DNA'et, da hver af de fire bogstaver i DNA -alfabetet - A, C, G og T - er lidt forskellige i form og størrelse.

De fleste materialer, der bruges til nanopore DNA -sekventering, har en betydelig fejl:De er for tykke. Selv et tyndt ark af de fleste materialer spænder over flere led i DNA -kæden, gør det umuligt at bestemme den nøjagtige DNA -sekvens nøjagtigt.

Graphene er blevet et populært alternativ, da det er et ark lavet af et enkelt lag carbonatomer - hvilket betyder, at kun en base ad gangen går gennem nanoporen. Desværre, grafen har sit eget sæt problemer, det største er, at DNA’et holder sig til det. DNA'et, der interagerer med grafen, introducerer meget støj, der gør det svært at aflæse strømmen, som en radiostation skæmmet af høj statisk.

MoS2 er også et enkeltlagsark, tyndt nok til, at der kun går et DNA -bogstav ad gangen gennem nanoporen. I undersøgelsen, Illinois -forskerne fandt ud af, at DNA ikke klæber til MoS2, men træder rent og hurtigt igennem poren. Se en animation herunder:

"MoS2 er en konkurrent til grafen med hensyn til transistorer, men vi viste her en ny funktionalitet af dette materiale ved at vise, at det er i stand til at biosensere, "sagde kandidatstuderende Amir Barati Farimani, den første forfatter til papiret.

Mest spændende for forskerne, simuleringerne gav fire forskellige signaler svarende til baserne i et dobbeltstrenget DNA-molekyle. Andre systemer har i bedste fald givet to - A/T og C/G - som derefter kræver omfattende beregningsanalyse for at forsøge at skelne A fra T og C fra G.

Nøglen til succes med den komplekse MoS2 -simulering og analyse var Blue Waters -supercomputeren, placeret på National Center for Supercomputing Applications i U. af I.

"Det er meget detaljerede beregninger, "sagde Aluru, som også er en del af Beckman Institute for Advanced Science and Technology ved U. of I. "De fortæller os virkelig fysikken i de faktiske mekanismer, og hvorfor MoS2 klarer sig bedre end andre materialer. Vi har den indsigt nu på grund af dette arbejde, som brugte Blue Waters i vid udstrækning. "

Nu, forskerne undersøger, om de kan opnå endnu større ydeevne ved at koble MoS2 med et andet materiale til en lavpris, hurtig og præcis DNA -sekventeringsenhed.

"Det ultimative mål med denne forskning er at lave en slags hjemmebaseret eller personlig DNA-sekventeringsenhed, "Sagde Barati Farimani." Vi er på vej for at nå dertil, ved at finde de teknologier, der hurtigt kan billigt og præcist identificere det menneskelige genom. At have et kort over dit DNA kan hjælpe med at forhindre eller opdage sygdomme i de tidligste udviklingsstadier. Hvis alle billigt kan sekvensere, så de kan kende kortet over deres genetik, de kan være meget mere opmærksomme på, hvad der foregår i deres kroppe. "