(Phys.org) —De allure van gepersonaliseerde geneeskunde heeft nieuwe, efficiëntere manieren om genen te sequencen een topprioriteit voor onderzoek. Een veelbelovende techniek is het lezen van DNA-basen met behulp van veranderingen in elektrische stroom terwijl ze door een nanoscopisch gat worden geleid.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van natuurkundigen van de Universiteit van Pennsylvania heeft nanoporiën in vaste toestand gebruikt om enkelstrengige DNA-moleculen te differentiëren die sequenties van een enkele herhalende base bevatten.

De studie werd geleid door Marija Drndić, een universitair hoofddocent bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de School of Arts and Sciences, samen met afgestudeerde studenten Kimberly Venta en Matthew Puster en postdoctorale onderzoekers Gabriel Shemer, Julio A. Rodriguez-Manzo en Adrian Balan. Ze werkten samen met assistent-professor Jacob K. Rosenstein van Brown University en professor Kenneth L. Shepard van Columbia University.

Hun resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Bij deze techniek, bekend als DNA-translocatiemetingen, strengen DNA in een zoutoplossing worden door een opening in een membraan gedreven door een aangelegd elektrisch veld. Terwijl elke basis van de streng door de porie gaat, het blokkeert tegelijkertijd de doorgang van sommige ionen; versterkers die aan de nanopore-chip zijn bevestigd, kunnen de resulterende daling van de elektrische stroom registreren. Omdat elke basis een andere maat heeft, onderzoekers hopen deze gegevens te gebruiken om de volgorde van de basen af ​​te leiden terwijl de streng er doorheen gaat. De verschillen in basismaten zijn zo klein, echter, dat de verhoudingen van zowel de nanoporiën als de membranen dicht bij die van de DNA-strengen zelf moeten liggen - een grote uitdaging.

De nanopore-apparaten die het dichtst in de buurt komen van een commercieel haalbare optie voor sequencing, zijn gemaakt van eiwitporiën en lipidedubbellagen. Dergelijke eiwitporiën hebben gewenste verhoudingen, maar de lipide dubbellaagse membranen waarin ze zijn ingebracht, zijn verwant aan een film van zeep, die veel te wensen overlaat op het gebied van duurzaamheid en robuustheid.

Solid-state nanoporiën, die zijn gemaakt van dunne vastestofmembranen, bieden voordelen ten opzichte van hun biologische tegenhangers - ze kunnen gemakkelijker worden verzonden en geïntegreerd met andere elektronica - maar de basisdemonstraties van proof-of-principle-gevoeligheid voor verschillende DNA-basen waren langzamer.

"Hoewel biologische nanoporiën het vermogen hebben getoond om afzonderlijke nucleotiden op te lossen, halfgeleideralternatieven zijn achtergebleven vanwege twee uitdagingen:het daadwerkelijk vervaardigen van de juiste poriën en het bereiken van een hoog signaal, geluidsarme en hoge bandbreedte metingen, "Zei Drndić. "We vallen die twee uitdagingen hier aan."

Omdat het mechanisme waarmee de nanoporie onderscheid maakt tussen het ene type base en het andere, wordt bepaald door de hoeveelheid van de opening van de porie die wordt geblokkeerd, hoe kleiner de diameter van een porie, hoe nauwkeuriger het is. Om de nanoporie effectief te laten zijn bij het bepalen van een reeks basen, de diameter moet de diameter van het DNA benaderen en de dikte moet die van de ruimte tussen de ene base en de volgende benaderen, of ongeveer 0,3 nanometer.

Om solid-state nanoporiën en membranen in deze kleine proporties te krijgen, onderzoekers, inclusief Drndić's groep, onderzoeken geavanceerde materialen, zoals grafeen. Een enkele laag koolstofatomen in een hexagonaal rooster, grafeenmembranen kunnen tot ongeveer 0,5 nanometer dik worden gemaakt, maar hebben hun eigen nadelen die moeten worden aangepakt. Bijvoorbeeld, het materiaal zelf is hydrofoob, waardoor het moeilijker wordt om DNA-strengen er doorheen te laten gaan.

In dit experiment, Drndić en haar collega's werkten met een ander materiaal - siliciumnitride - in plaats van te proberen grafeenmembranen van één atoom dik te maken voor nanoporiën. Behandeld siliciumnitride is hydrofiel en heeft gemakkelijk DNA-translocaties mogelijk gemaakt, zoals gemeten door vele andere onderzoekers in het afgelopen decennium. En hoewel hun membraan dikker is, ongeveer 5 nanometer, siliciumnitrideporiën kunnen grafeen ook benaderen in termen van dunheid vanwege de manier waarop ze worden vervaardigd.

"De manier waarop we de nanoporiën in siliciumnitride maken, zorgt ervoor dat ze taps toelopen, zodat de effectieve dikte ongeveer een derde van de rest van het membraan is, ' zei Drndić.

Drndić en haar collega's testten hun siliciumnitride-nanoporie op homopolymeren, of enkele strengen DNA met sequenties die uit slechts één base bestaan, meerdere keren herhaald. De onderzoekers konden duidelijke metingen doen voor drie van de vier basen:adenine, cytosine en thymine. Ze hebben niet geprobeerd guanine te meten, omdat homopolymeren die met die base zijn gemaakt zich weer aan zichzelf binden, waardoor het moeilijker wordt om ze door de nanoporiën te laten gaan.

"We laten zien dat deze kleine poriën gevoelig zijn voor de basisinhoud, " Drndić zei, "en we zagen deze resultaten in poriën met diameters tussen 1 en 2 nanometer, wat eigenlijk bemoedigend is omdat het suggereert dat enige variatie in de productie in orde kan zijn."