Team foreslår elektronisk bevægelsessensor i nanoskala som DNA-sequencer

Forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST) og samarbejdspartnere har foreslået et design til den første DNA-sequencer baseret på en elektronisk nanosensor, der kan registrere små bevægelser så små som et enkelt atom.

Den foreslåede enhed - en type kondensator, som gemmer elektrisk ladning - er et lille bånd af molybdændisulfid suspenderet over en metalelektrode og nedsænket i vand. Båndet er 15,5 nanometer (nm, milliardtedele meter) lang og 4,5 nm bred. Enkeltstrenget DNA, indeholdende en kæde af baser (bits af genetisk kode), føres gennem et 2,5 nm bredt hul i det tynde bånd. Båndet bøjes kun, når en DNA-base parrer sig med og derefter adskilles fra en komplementær base, der er fastgjort til hullet. Membranbevægelsen detekteres som et elektrisk signal.

Som beskrevet i et nyt papir, NIST-holdet lavede numeriske simuleringer og teoretiske estimater for at vise, at membranen ville være 79 til 86 procent nøjagtig til at identificere DNA-baser i en enkelt måling ved hastigheder op til omkring 70 millioner baser i sekundet. Integrerede kredsløb ville detektere og måle elektriske signaler og identificere baser. Resultaterne tyder på, at en sådan enhed kunne være en hurtig, nøjagtig og omkostningseffektiv DNA-sequencer, ifølge avisen.

Konventionel sekvensering, udviklet i 1970'erne, involverer adskillelse, kopiering, mærkning og gensamling af DNA-stykker for at læse den genetiske information. Nyere metoder inkluderer automatiseret sekventering af mange DNA-fragmenter på én gang - stadig dyre - og nye "nanopore-sekventering"-koncepter. For eksempel, den samme NIST-gruppe demonstrerede for nylig ideen om at sekventere DNA ved at føre det gennem en grafen-nanopore, og måling af, hvordan grafens elektroniske egenskaber reagerer på belastning.

Det seneste NIST-forslag bygger på en tynd film af molybdændisulfid - en stabil, lagdelt materiale, der leder elektricitet og ofte bruges som smøremiddel. Blandt andre fordele, dette materiale klæber ikke til DNA, hvilket kan være et problem med grafen. NIST-teamet foreslår, at metoden endda kan fungere uden en nanopore - et enklere design - ved at sende DNA hen over kanten af ​​membranen.

"Denne tilgang løser potentielt problemet med DNA, der klæber til grafen, hvis det indsættes forkert, fordi denne tilgang ikke bruger grafen, periode, "NIST-teoretiker og hovedforfatter Alex Smolyanitsky sagde. "En anden stor forskel er, at i stedet for at stole på egenskaberne af grafen eller et bestemt anvendt materiale, vi aflæser bevægelser elektrisk på en lettere måde ved at danne en kondensator. Dette gør enhver elektrisk ledende membran velegnet til applikationen."

Nanomaterialeekspert Boris Yakobson fra Rice University, en medforfatter på papiret, foreslog kondensatorideen. Beregningsstøtte blev leveret af University of Groningen i Holland.

DNA har fire baser. Til simuleringerne, cytosin (C), som naturligt parrer sig med guanin (G), er fastgjort til indersiden af ​​poren. Når et stykke DNA passerer gennem poren, ethvert G i strengen binder sig midlertidigt til det indlejrede C, trække i nanobåndet og signalere elektroden. DNA-sekvensen bestemmes ved at måle, hvordan og hvornår elektriske blips varierer over tid. For at detektere alle fire baser, fire nanobånd, hver med en forskellig base knyttet til poren, kunne stables lodret for at skabe en integreret DNA-sensor.

Molybdændisulfidbåndet er fleksibelt nok til at deformeres målbart som reaktion på de kræfter, der kræves for at bryde et DNA-par, men stiv nok til at have mindre igangværende, meningsløs bevægelse end grafen, potentielt reducere uønsket støj i sekventeringssignalerne. Afbøjningen af ​​båndet er overordentlig lille, i størrelsesordenen en ångstrøm, størrelsen af ​​et brintatom. Dens trækkraft er i størrelsesordenen 50 piconewtons, eller trillioner af en newton, nok til at bryde de sarte kemiske bindinger mellem DNA-baser.

Forskere vurderede, hvordan enheden ville fungere i et integreret kredsløb og fandt, at spidsstrømmene gennem kondensatoren var målbare (50 til 70 picoampere), selv for de små undersøgte nanobånd. De nuværende toppe forventes at være endnu større i fysiske systemer. Enhedens størrelse kunne justeres for at gøre det endnu nemmere at måle sekventeringssignaler.

NIST-forfatterne håber at kunne bygge en fysisk version af enheden i fremtiden. Til praktiske anvendelser, DNA-sekventeringsmikrofluidisk teknologi på chipstørrelse kan kombineres med elektronik til en enkelt enhed, der er lille nok til at blive håndholdt.