Skub gennem nanoporer:Genetisk sekventering med MXene

Det tog 13 år og en milliard dollars at sekventere det menneskelige genom, en enorm videnskabelig virksomhed, der lancerede en ny æra inden for medicin. Med nutidens fremskridt inden for sekventeringsteknologi, den samme opgave ville kun have taget omkring en dag til en brøkdel af prisen. Morgendagens teknologi kan reducere det til få sekunder.

Nanopore-baseret DNA-sekventering er en tredje generations teknologi, der har potentialet til yderligere at transformere sundhedsplejen ved at levere hurtig diagnostik af sygdomme og personalisere medicin. Jo mere effektiv metoden er, des bedre. Mens virksomheder er begyndt at kommercialisere teknologien, der er forhindringer at overvinde.

En nanopore-metode, der i øjeblikket anvendes, er proteinbaseret, det er, biologiske. Det bruger membranproteinkomplekser, der har evnen til at skelne mellem individuelle og grupper af nukleotider. Desværre, proteinerne nedbrydes med den tunge brug, der kræves til sekventering - hvilket kan være millioner af gange for nanopore-membranen.

Solid state nanopore sekventering, i modsætning, bruger syntetiske materialer. Todimensionelle nanomaterialer såsom grafen, siliciumnitrid, og molybdændisulfid giver overlegen mekanisk evne og termisk og kemisk stabilitet. Men, der er stadig ulemper ved denne metode. Forskere har brug for yderligere undersøgelser for bedre at forstå og karakterisere disse forskellige faststofmaterialer.

Forskere ved Carnegie Mellon University blev fascineret af den seneste udvikling i syntesen af ​​et andet nanomateriale, MXene. Også kendt som titaniumcarbid, det er i en klasse af enkeltlag, todimensionelle uorganiske forbindelser, der er nogle få atomer tykke. Ingen havde tidligere kigget på dette materiale til brug i nanopore DNA-sekventering. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

MXener er bemærkelsesværdige for deres egenskaber, der kombinerer aspekter af både metaller og keramik, herunder fremragende termisk og elektrisk ledningsevne, varmebestandighed, let bearbejdelighed, og fremragende volumetrisk kapacitans.

Forskerne ønskede at udforske MXene som et potentielt membranmateriale til DNA-detektion og observere, hvordan det målte mod de andre nanomaterialer. At undersøge, de brugte simuleringer af molekylær dynamik til at analysere dens interaktioner med enkeltstrenget DNA. De målte fysiske egenskaber såsom ionstrøm, opholdstid, spor af DNA-baser, fysisorption, fleksibilitet af baserne, og hydrering af nanoporen.

Et nanopore-array kan indeholde hundredvis af porer med diametre mindre end otte nanometer. "Hvis nanoporerne er for store, alt det genetiske materiale kommer gennem membranen blandet sammen, " forklarede Amir Barati Farimani, adjunkt i maskinteknik. "Hvis for lille, det kan slet ikke gå igennem«.

Holdet fandt ud af, at en MXene-baseret nanopore var i stand til at detektere forskellige typer af DNA-baser med et højt niveau af følsomhed. "Vi viste, at MXene er et effektivt og lovende nanomateriale til brug i en nanopore-baseret detektionsplatform, " sagde Barati Farimani.

Forskerne sigter mod at udvide deres arbejde ved at udnytte kraftfulde kunstig intelligens (AI) algoritmer til at forbedre DNA-detektion af nanopore-systemet. DNA-baser har unikke egenskaber, der kan bruges som input til at træne AI for at forbedre nøjagtigheden af ​​DNA-detektion. Og, AI kan gøre brug af højdimensionelle simuleringsdata til at lære og udtrække de vigtigste funktioner til at skelne mellem DNA-baserne.

"Udvidelserne til dette arbejde lover i høj grad at forbedre den nanopore-baserede detektionsplatform og i sidste ende overvinde tærsklen for at gøre denne teknologi bredt anvendelig, " sagde Barati Farimani.

Andre forfattere inkluderede Prakarsh Yadav og Zhonglin Cao, både ph.d. studerende.