Een team van onderzoekers van de Technische Universiteit Delft (Nederland) kondigt een nieuw type nanopore-apparaten aan die een aanzienlijke invloed kunnen hebben op de manier waarop we DNA-moleculen screenen, bijvoorbeeld om hun volgorde af te lezen. In een paper getiteld 'DNA Translocation through Graphene Nanopores' (online gepubliceerd in Nano-letters ), ze rapporteren een nieuwe techniek om minuscule gaatjes in een laag grafeen te maken en ze slaagden erin de beweging te detecteren van individuele DNA-moleculen die door zo'n gat reizen.

Er is een wereldwijde wedloop gaande om snelle en goedkope strategieën te ontwikkelen om DNA te sequensen, dat is, om de inhoud van ons genoom af te lezen. Vooral veelbelovend voor de volgende generatie van sequencing zijn apparaten waarmee men op afzonderlijke moleculen meet. Stel je een enkel DNA-molecuul voor uit een van je cellen (3 miljard basen, 1 meter lang als je het van kop tot staart zou uitrekken) dat wordt afgelezen - basis per basis - in realtime terwijl je tussen twee van je vingers glijdt. Dit is wat postdoc dr. Gregory Schneider in de groep van professor Cees Dekker en collega's van het Kavli Institute of Nanoscience in gedachten hebben. Ze demonstreerden nu een eerste stap in die richting:een enkel molecuul DNA door een klein gaatje op nanoschaal laten glijden dat is gemaakt in het dunste membraan dat de natuur kan bieden, een 1-atoom dun laagje grafeen.

Grafeen is een uniek en heel bijzonder materiaal, en toch overal verkrijgbaar:Iedereen heeft grafeen in huis:grafiet is gemaakt van lagen grafeen en komt voor in bijvoorbeeld de koolstof van potloden, houtskool, of kaarsroet. Maar in dit onderzoek grafeen wordt gebruikt vanwege die speciale eigenschap dat men van grafeen enkel-atoom-dunne monolagen kan maken. Waarom is zo'n ultradun membraan belangrijk? Laten we teruggaan naar die draad die tussen je vingers glijdt. De afstand tussen twee basen in DNA is erg klein, ongeveer een halve nanometer, die 100000 keer kleiner is dan de breedte van een mensenhaar! Om elke base langs het DNA af te lezen, je hebt dus een recorder nodig die kleiner is dan die halve nanometer. Als je vingers tot dat formaat kunnen worden verkleind, je bent in het bedrijfsleven. En hier zijn deze atomair dunne grafeenmembranen cruciaal.

Wat Schneider en collega's deden, was een gat op nanometerschaal maken - een nanoporie genaamd - in het grafeenmembraan, die de ideale recorder vertegenwoordigt. Ze toonden aan dat afzonderlijke DNA-moleculen in water door zo'n grafeen-nanoporie kunnen worden getrokken en, belangrijk, dat elk DNA-molecuul kan worden gedetecteerd als het door de porie gaat. De detectietechniek is heel eenvoudig:bij het aanleggen van een elektrische spanning over de nanoporie, ionen in de oplossing beginnen door het gat te stromen en er wordt een stroom gedetecteerd. Deze stroom wordt kleiner wanneer een DNA-molecuul de nanoporie binnengaat en de stroom van ionen gedeeltelijk blokkeert. Elk afzonderlijk DNA-molecuul dat door de porie glijdt, wordt dus gedetecteerd door een stroomdaling.

Het DNA beweegt base per base door de nanoporie. Met de atomair dunne grafeen nanopore heeft men in principe het potentieel om de DNA-sequentie af te lezen, basis per basis. Wereldwijd hebben een aantal groepen geprobeerd om grafeen-nanoporiën te realiseren. Schneider et al zijn de eersten die deze week hun resultaten rapporteren.

DNA-translocatie door nanoporiën is eerder ontwikkeld door het Dekker-lab en anderen, bijvoorbeeld met behulp van SiN-membranen. Grafeen nanoporiën bieden nieuwe kansen - veel meer dan sequencing. sinds grafeen, in tegenstelling tot SiN, is een uitstekende dirigent, een voor de hand liggende volgende stap is het gebruik van de intrinsieke geleidende eigenschappen van grafeen. Nanoporiën bieden een scala aan mogelijkheden van sensoren voor wetenschap en toepassingen.