(PhysOrg.com) -- In een innovatie die cruciaal is voor verbeterde DNA-sequencing, een aanzienlijk langzamere overdracht van DNA door nanoporiën is bereikt door een team onder leiding van Sandia National Laboratories-onderzoekers.

Vaste-stof nanoporiën gebeeldhouwd uit siliciumdioxide zijn over het algemeen recht, kleine tunnels die meer dan duizend keer kleiner zijn dan de diameter van een mensenhaar. Ze worden gebruikt als sensoren om DNA te detecteren en te karakteriseren, RNA en eiwitten. Maar deze materialen schieten zo snel door zulke gaten dat de sequentie van het DNA dat er doorheen gaat, bijvoorbeeld, is een probleem.

In een paper die deze week online (23 juli) is gepubliceerd in Natuurmaterialen (hardcopy gepland voor augustus, Vol.9, blz. 667-675) een team onder leiding van onderzoekers van Sandia National Laboratories meldt dat ze zelfassemblagetechnieken gebruiken om even kleine maar geknikte nanoporiën te fabriceren. Gecombineerd met atomaire laagafzetting om de chemische eigenschappen van de nanoporiën te wijzigen, de innovaties bereiken een vijfvoudige vertraging van de spanningsgestuurde translocatiesnelheden die essentieel zijn voor DNA-sequencing. (Translocatie houdt in dat DNA de poriën binnenkomt en er volledig doorheen gaat, die slechts iets breder zijn dan het DNA zelf.)

"Door controle van de poriegrootte, lengte, vorm en compositie, " zegt hoofdonderzoeker Jeff Brinker, "We leggen het belangrijkste functionele gedrag van eiwitporiën vast in ons solid-state nanoporiënsysteem." Het belang van een vijfvoudige vertraging in dit soort werk, Brinker zegt, is groot.

Ook opmerkelijk is het vermogen van de techniek om enkel- en dubbelstrengs DNA te scheiden in een array-formaat. "Er zijn veelbelovende technologieën voor DNA-sequencing die dit vereisen, ’ zegt Brinker.

Het idee om synthetische nanoporiën in vaste toestand te gebruiken als sensoren met één molecuul voor detectie en karakterisering van DNA en zijn zustermaterialen wordt momenteel intensief onderzocht door onderzoekers over de hele wereld. De stuwkracht werd geïnspireerd door de voortreffelijke selectiviteit en flux die wordt aangetoond door natuurlijke biologische kanalen. Onderzoekers hopen dit gedrag na te bootsen door robuustere synthetische materialen te maken die gemakkelijker in praktische apparaten kunnen worden geïntegreerd.

Huidige wetenschappelijke procedures richten de vorming van nominaal cilindrische of conische poriën loodrecht op een membraanoppervlak. Deze zijn minder in staat om de passage van DNA significant te vertragen dan de geknikte nanoporiën.

"We hadden een vrij eenvoudig idee, " zegt Brinker. "We gebruiken de zelfassemblagebenaderingen die we hebben ontwikkeld om ultradunne membranen te maken met geordende arrays van poriën met een diameter van ongeveer 3 nanometer. Vervolgens stemmen we de poriegrootte verder af via een atoomlaagdepositieproces dat we hebben uitgevonden. Dit stelt ons in staat om de poriediameter en oppervlaktechemie op subnanometerschaal te regelen. Vergeleken met andere tot nu toe ontwikkelde nanoporiën in vaste toestand, ons systeem combineert een fijnere controle van de poriegrootte met de ontwikkeling van een geknikte poriebaan. In combinatie, deze maken het mogelijk om de DNA-snelheid te vertragen."

Het werk wordt ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research, het Department of Energy's Basic Energy Sciences en Sandia's Laboratory Directed Research and Development kantoor.