Op genen gebaseerde gepersonaliseerde geneeskunde heeft veel mogelijkheden voor diagnose en gerichte therapie, maar één groot knelpunt:het dure en tijdrovende DNA-sequencingproces.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben ontdekt dat nanoporiën in het materiaal molybdeendisulfide (MoS2) DNA nauwkeuriger kunnen sequencen, snel en voordeliger dan alles wat tot nu toe beschikbaar is.

"Een van de grote gebieden in de wetenschap is om het menselijk genoom te sequensen voor minder dan $ 1, 000, het 'genoom-at-home, '" zei Narayana Aluru, een professor in mechanische wetenschappen en techniek aan de U. of I. die de studie leidde. "Er wordt nu gezocht naar het juiste materiaal. We hebben MoS2 gebruikt voor andere problemen, en wij dachten, waarom proberen we het niet en kijken hoe het werkt voor DNA-sequencing?"

Zoals het blijkt, MoS2 presteert beter dan alle andere materialen die worden gebruikt voor DNA-sequencing van nanoporiën - zelfs grafeen.

Een nanoporie is een heel klein gaatje dat door een dunne laag materiaal wordt geboord. De porie is net groot genoeg om een ​​DNA-molecuul door te laten lopen. Een elektrische stroom drijft het DNA door de nanoporie, en de fluctuaties in de stroom terwijl het DNA door de porie gaat, vertellen de volgorde van het DNA, aangezien elk van de vier letters van het DNA-alfabet – A, C, G en T - zijn iets anders in vorm en grootte.

De meeste materialen die worden gebruikt voor DNA-sequencing met nanoporiën hebben een flinke fout:ze zijn te dik. Zelfs een dunne laag van de meeste materialen omspant meerdere schakels van de DNA-keten, waardoor het onmogelijk is om de exacte DNA-sequentie nauwkeurig te bepalen.

Grafeen is een populair alternatief geworden, omdat het een plaat is die is gemaakt van een enkele laag koolstofatomen - wat betekent dat er slechts één base tegelijk door de nanoporie gaat. Helaas, grafeen heeft zijn eigen problemen, het grootste is dat het DNA eraan kleeft. Het DNA dat in wisselwerking staat met het grafeen introduceert veel ruis waardoor het moeilijk is om de stroom te lezen, als een radiostation ontsierd door luide ruis.

MoS2 is ook een enkellaagse plaat, dun genoeg dat er maar één DNA-letter tegelijk door de nanoporie gaat. In de studie, de Illinois-onderzoekers ontdekten dat DNA niet aan MoS2 kleeft maar gaat netjes en snel door de porie. Zie hieronder een animatie:

"MoS2 is een concurrent van grafeen op het gebied van transistors, maar we hebben hier een nieuwe functionaliteit van dit materiaal laten zien door te laten zien dat het in staat is tot biosensing, " zei afgestudeerde student Amir Barati Farimani, de eerste auteur van het artikel.

Het meest opwindend voor de onderzoekers, de simulaties leverden vier verschillende signalen op die overeenkomen met de basen in een dubbelstrengs DNA-molecuul. Andere systemen hebben er in het gunstigste geval twee opgeleverd - A/T en C/G - die vervolgens uitgebreide rekenkundige analyse vereisen om te proberen A van T en C van G te onderscheiden.

De sleutel tot het succes van de complexe MoS2-simulatie en -analyse was de Blue Waters-supercomputer, gevestigd in het National Center for Supercomputing Applications aan de U. of I.

"Dit zijn zeer gedetailleerde berekeningen, " zei Aluru, die ook deel uitmaakt van het Beckman Institute for Advanced Science and Technology aan de U. of I. "Ze vertellen ons echt de fysica van de eigenlijke mechanismen, en waarom MoS2 beter presteert dan andere materialen. We hebben die inzichten nu dankzij dit werk, die op grote schaal gebruik heeft gemaakt van Blue Waters."

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers onderzoeken of ze nog betere prestaties kunnen bereiken door MoS2 te koppelen aan een ander materiaal om een ​​goedkope, snel en nauwkeurig apparaat voor DNA-sequencing.

"Het uiteindelijke doel van dit onderzoek is om een ​​soort thuisgebaseerd of persoonlijk DNA-sequencing-apparaat te maken, " zei Barati Farimani. "We zijn op weg om daar te komen, door de technologieën te vinden die snel, het menselijk genoom goedkoop en nauwkeurig te identificeren. Het hebben van een kaart van uw DNA kan helpen om ziekten in de vroegste stadia van ontwikkeling te voorkomen of op te sporen. Als iedereen goedkoop kan sequensen, zodat ze de kaart van hun genetica kennen, ze kunnen veel alerter zijn op wat er in hun lichaam gebeurt."