NIST simulerer hurtigt, nøjagtig DNA-sekventering gennem graphene nanopore

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har simuleret et nyt koncept for hurtig, nøjagtig gensekventering ved at trække et DNA-molekyle gennem et lille, kemisk aktiveret hul i grafen - et ultratyndt ark af kulstofatomer - og detekterer ændringer i elektrisk strøm.

NIST-undersøgelsen tyder på, at metoden kunne identificere omkring 66 milliarder baser - de mindste enheder af genetisk information - pr. sekund med 90 procent nøjagtighed og ingen falske positiver. Hvis det demonstreres eksperimentelt, NIST-metoden kan i sidste ende være hurtigere og billigere end konventionel DNA-sekventering, opfylder et kritisk behov for applikationer såsom retsmedicin.

Konventionel sekvensering, udviklet i 1970'erne, involverer adskillelse, kopiering, mærkning og gensamling af DNA-stykker for at læse den genetiske information. Det nye NIST-forslag er en drejning af den nyere "nanopore-sekventering" idé om at trække DNA gennem et hul i specifikke materialer, oprindeligt et protein. Dette koncept - som blev banebrydende for 20 år siden ved NIST - er baseret på passagen af ​​elektrisk ladede partikler (ioner) gennem poren. Idéen er stadig populær, men udgør udfordringer såsom uønsket elektrisk støj, eller interferens, og utilstrækkelig selektivitet.

Derimod NISTs nye forslag er at skabe midlertidige kemiske bindinger og stole på grafens evne til at konvertere de mekaniske belastninger fra at bryde disse bindinger til målbare blips i elektrisk strøm.

"Dette er i bund og grund en lille belastningssensor, " siger NIST-teoretiker Alex Smolyanitsky, der kom med ideen og ledede projektet. "Vi opfandt ikke en komplet teknologi. Vi skitserede et nyt fysisk princip, der potentielt kan være langt bedre end noget andet derude."

Grafen er populært i nanopore-sekventeringsforslag på grund af dets elektriske egenskaber og miniaturiseret tyndfilmstruktur. I den nye NIST-metode et grafen nanobånd (4,5 x 15,5 nanometer) har flere kopier af en base knyttet til nanoporen (2,5 nm bred). DNA's genetiske kode er bygget af fire slags baser, som bindes i par som cytosin-guanin og thymin-adenin.

I simuleringer (se medfølgende animation) af, hvordan sensoren ville fungere ved stuetemperatur i vand, cytosin er knyttet til nanoporen for at påvise guanin. Et enkeltstrenget (udpakket) DNA-molekyle trækkes gennem poren. Når guanin passerer forbi, hydrogenbindinger dannes med cytosinet. Mens DNA'et fortsætter med at bevæge sig, grafenen rykkes og glider derefter tilbage på plads, når bindingerne brydes.

NIST-undersøgelsen fokuserede på, hvordan denne stamme påvirker grafens elektroniske egenskaber og fandt ud af, at midlertidige ændringer i elektrisk strøm faktisk indikerer, at en målbase lige er gået forbi. For at detektere alle fire baser, fire grafenbånd, hver med en forskellig base indsat i poren, kunne stables lodret for at skabe en integreret DNA-sensor.

Forskerne kombinerede simulerede data med teori for at estimere niveauer af målbare signalvariationer. Signalstyrken var i milliampere-området, stærkere end i de tidligere ion-strøm nanopore metoder. Baseret på ydeevnen på 90 procent nøjagtighed uden falske positiver (dvs. fejl skyldtes mistede baser snarere end forkerte), forskerne foreslår, at fire uafhængige målinger af den samme DNA-streng ville give 99,99 procent nøjagtighed, som krævet til sekventering af det humane genom.

Undersøgelsesforfatterne konkluderede, at den foreslåede metode viser "betydeligt løfte om realistiske DNA-sensorenheder" uden behov for avanceret databehandling, mikroskoper, eller stærkt begrænsede driftsforhold. Bortset fra at fastgøre baser til nanoporen, alle sensorkomponenter er blevet demonstreret eksperimentelt af andre forskningsgrupper. Teoretisk analyse tyder på, at grundlæggende elektroniske filtreringsmetoder kunne isolere de nyttige elektriske signaler. Den foreslåede metode kan også bruges med andre stammefølsomme membraner, såsom molybdændisulfid.

Omkring halvdelen af ​​simuleringerne blev udført af en medforfatter ved University of Groningen i Holland. Resten blev gjort på NIST.