De instructies voor het bouwen van alle eiwitten van het lichaam zijn opgenomen in het DNA van een persoon, een reeks chemicaliën die, als het wordt afgewikkeld en van begin tot eind wordt geregen, zou een zin vormen van 3 miljard letters lang. De zin van elke persoon is uniek, dus het zo snel en goedkoop mogelijk leren lezen van gensequenties zou de weg kunnen effenen voor talloze gepersonaliseerde medische toepassingen.

Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hebben nu vooruitgang geboekt bij het realiseren van een nieuwe sequencing-techniek die gebaseerd is op het door een klein gaatje halen van dat touwtje en het gebruik van een nabijgelegen sensor om elke letter te lezen terwijl deze er doorheen gaat.

Hun DNA-sensor is gebaseerd op grafeen, een atomair dun rooster van koolstof. Eerdere versies van de techniek maakten alleen gebruik van de onverslaanbare dunheid van grafeen, maar het onderzoek van het Penn-team laat zien hoe de unieke elektrische eigenschappen van het Nobelprijswinnende materiaal kunnen worden gebruikt om snellere en gevoeligere sequencing-apparaten te maken.

Kritisch, de nieuwste studie van het team laat zien hoe deze nanoporiën kunnen worden geboord zonder de elektrische gevoeligheid van grafeen te verpesten, een risico dat ontstaat door simpelweg door een elektronenmicroscoop naar het materiaal te kijken.

Het team bestaat uit Marija Drndić, hoogleraar natuurkunde aan de School of Arts and Sciences, en leden in haar laboratorium, waaronder afgestudeerde student Matthew Puster en postdoctorale onderzoekers Julio Rodríguez-Manzo en Adrian Balan.

Hun onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Drndić's groep heeft eerder een reeks vorderingen aangetoond bij het lezen van genen door ze door een klein gaatje te leiden, of nanoporiën. Hun onderzoek uit 2010 omvatte het boren van een gat in een plaat grafeen, het vervolgens in een ionenbad te plaatsen samen met de DNA-strengen die moeten worden gedetecteerd. Omdat elk van de vier basen, de letters in het DNA-alfabet, een andere maat hebben, er wordt verwacht dat een ander aantal ionen samen met elke base doordringt als de streng door de porie gaat. Onderzoekers konden vervolgens de volgorde van de DNA-basen interpreteren door het elektrische signaal van de ionen te meten. Echter, die stroomsignalen zijn zwak, het beperken van de snelheid waarmee DNA kan worden gesequenced.

Veel onderzoeksgroepen onderzoeken nu meerdere manieren om de gevoeligheid en snelheid van de techniek te verbeteren, inclusief nieuwe materialen en nieuwe manieren om nanoporiën erin te verwerken. Drndić's groep heeft geëxperimenteerd met verschillende membranen, evenals het toevoegen van verbeterde elektronica om bij hogere snelheden te meten, maar de laatste studie vertegenwoordigt een geheel nieuwe manier om een ​​elektrisch signaal te genereren dat uniek is voor elke basis.

"Onze laatste poging om de techniek te verbeteren is een afwijking van ons eerdere werk, echter, "Zei Drndić. "We proberen nu de stroom rechtstreeks van het grafeen te meten, terwijl we eerder de ionenstroom in de oplossing hebben gemeten terwijl deze door de porie gaat."

Het Penn-team wilde kijken of nanoporiën in grafeen, het meest geleidende materiaal dat bekend is, in staat zou zijn om het verschil tussen bases direct te voelen. In plaats van hun verschillende maten, deze methode zou erop vertrouwen dat de basen de elektrische lading in het nabijgelegen materiaal veranderen. In dit geval, het materiaal zou dun zijn, draadachtig lint van grafeen. Terwijl elke basis door de porie gaat, het zou de elektrische stroom die door het lint vloeit moduleren. De veranderingen in stroom zouden dan worden afgestemd op hun overeenkomstige bases, waardoor de onderzoekers de volgorde kunnen ontcijferen.

"Het voordeel, "Balaan zei, "Over de ionische methode is dat de stroom in het grafeenlint duizend keer hoger is. Dat betekent dat we duizend keer sneller kunnen meten. We zouden het DNA niet moeten vertragen om een ​​nauwkeurige meting van elke base te maken."

Na het fabriceren van de grafeenlinten op een siliciumnitridemembraan en het bevestigen van metalen contacten, de onderzoekers bedraadden ze om hun weerstand te meten en legden ze vervolgens in een transmissie-elektronenmicroscoop, of TEM. Dit type microscoop gebruikt een brede elektronenbundel om beelden te produceren met een resolutie op nanoschaal door de elektronen te meten terwijl ze door het monster gaan, maar het kan ook worden gebruikt als een boormachine door de straal te focussen.

De onderzoekers hadden een TEM gebruikt om nanoporiën in vellen grafeen te boren voor hun eerdere sequencing-experimenten, maar stuitten deze keer op een onverwachte uitdaging. Als ze hun linten in de TEM steken, ze vonden dat de weerstand aanzienlijk was toegenomen, gevoeligheid beperken.

"Alleen al kijken naar de grafeenlinten met de TEM zorgde ervoor dat ze degradeerden, "Zei Drndić. "De brede bundel die we gebruiken voor beeldvorming, beschadigde ze door defecten in het patroon van koolstofatomen te introduceren. Het was bijna geen grafeen meer."

"Het maakte niet uit in onze eerdere experimenten, ’ zei Puster, "Omdat we het grafeen alleen maar gebruikten vanwege zijn dunheid en mechanische eigenschappen. We creëerden deze defecten en verhoogden de weerstand, maar we beseften het niet omdat we de elektrische eigenschappen van grafeen niet aan het meten waren."

Maar met de ultra-lage weerstandssleutel van grafeen tot hun voorgestelde sequencing-apparaat, het team kreeg een dilemma voorgelegd; ze moesten een gat prikken op een precieze plek op een lint 10, 000 keer dunner dan een mensenhaar, terwijl het effectief geblinddoekt is.

"Dit was een echte wegversperring, "Zei Drndić. "Hoe moesten we deze poriën boren als alleen al het kijken naar het lint het apparaat doodt?"

De oplossing van het team was om een ​​andere beeldvormingsmodus te gebruiken in de TEM, die een ruwe scan produceerde in plaats van een high-definition afbeelding.

"In plaats van de bundelklep te openen en het lint met elektronen te overspoelen, " Rodríguez-Manzo zei:"we gebruiken een scanmodus die slechts één momentopname maakt. Door de meest wazige foto te maken die ons nog vertelt waar de rand van het lint is, we beperken de hoeveelheid elektronen die het raakt."

"Het beeld dat we terugkrijgen is erg korrelig, "Zei Puster. "Maar dan moeten we gewoon de pixel kiezen waar we de porie of inkeping willen plaatsen."

Het team heeft tegelijkertijd de weerstanden van de linten gemeten terwijl ze deze snapshots maakten, waaruit duidelijk blijkt dat ze gedurende het hele proces onbeschadigd zijn gebleven. Ze simuleerden ook de aanwezigheid van een DNA-streng door een elektrisch veld te gebruiken om te testen of het apparaat gevoelig genoeg zou zijn om DNA-experimenten mee uit te voeren.

"Ik denk dat dit problemen kan oplossen voor veel verschillende nanosensoren, "Zei Drndić. "Of ze nu van grafeen zijn gemaakt, nanodraden, koolstof nanobuisjes of andere nanostructuren, dit zal helpen om ze in goede staat te houden terwijl ze in een TEM zijn. De belangrijkste truc hier is om de nanoporie te boren met zo min mogelijk beeldvorming, gewoon een snelle blik onder de blinddoek."