Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een nieuw concept gesimuleerd voor snelle, nauwkeurige genensequencing door een DNA-molecuul door een klein, chemisch geactiveerd gat in grafeen - een ultradunne laag koolstofatomen - en het detecteren van veranderingen in elektrische stroom.

De NIST-studie suggereert dat de methode ongeveer 66 miljard basen - de kleinste eenheden genetische informatie - per seconde kan identificeren met een nauwkeurigheid van 90 procent en zonder valse positieven. Indien experimenteel aangetoond, de NIST-methode zou uiteindelijk sneller en goedkoper kunnen zijn dan conventionele DNA-sequencing, voorzien in een kritieke behoefte aan toepassingen zoals forensisch onderzoek.

Conventionele sequentiëring, ontwikkeld in de jaren 70, gaat scheiden, kopiëren, het labelen en samenvoegen van stukjes DNA om de genetische informatie te lezen. Het nieuwe NIST-voorstel is een draai aan het meer recente idee van "nanopore-sequencing" om DNA door een gat in specifieke materialen te trekken, oorspronkelijk een eiwit. Dit concept - 20 jaar geleden ontwikkeld door NIST - is gebaseerd op de passage van elektrisch geladen deeltjes (ionen) door de porie. Het idee blijft populair, maar brengt uitdagingen met zich mee zoals ongewenste elektrische ruis, of interferentie, en onvoldoende selectiviteit.

Daarentegen, Het nieuwe voorstel van NIST is om tijdelijke chemische bindingen te creëren en te vertrouwen op het vermogen van grafeen om de mechanische spanningen van het verbreken van die bindingen om te zetten in meetbare blips in elektrische stroom.

"Dit is in wezen een kleine spanningssensor, " zegt NIST-theoreticus Alex Smolyanitsky, die op het idee kwam en het project leidde. "We hebben geen complete technologie uitgevonden. We hebben een nieuw fysiek principe geschetst dat mogelijk veel superieur is aan al het andere dat er is."

Grafeen is populair in voorstellen voor nanopore-sequencing vanwege de elektrische eigenschappen en geminiaturiseerde dunne-filmstructuur. In de nieuwe NIST-methode, een grafeen nanoribbon (4,5 bij 15,5 nanometer) heeft verschillende kopieën van een basis die aan de nanoporie (2,5 nm breed) is bevestigd. De genetische code van DNA is opgebouwd uit vier soorten basen, die zich in paren binden als cytosine-guanine en thymine-adenine.

In simulaties (zie begeleidende animatie) van hoe de sensor zou presteren bij kamertemperatuur in water, cytosine is bevestigd aan de nanoporie om guanine te detecteren. Een enkelstrengs (uitgepakt) DNA-molecuul wordt door de porie getrokken. Als guanine voorbij komt, waterstofbruggen vormen zich met het cytosine. Terwijl het DNA blijft bewegen, het grafeen wordt losgetrokken en glijdt dan terug op zijn plaats als de bindingen breken.

De NIST-studie richtte zich op hoe deze stam de elektronische eigenschappen van grafeen beïnvloedt en ontdekte dat tijdelijke veranderingen in elektrische stroom inderdaad aangeven dat een doelwitbasis zojuist is gepasseerd. Om alle vier de basen te detecteren, vier grafeenlinten, elk met een andere basis in de porie, kan verticaal worden gestapeld om een ​​geïntegreerde DNA-sensor te creëren.

De onderzoekers combineerden gesimuleerde gegevens met theorie om niveaus van meetbare signaalvariaties te schatten. De signaalsterkte lag in het milliampèrebereik, sterker dan in de eerdere ion-current nanoporiën methoden. Gebaseerd op de prestaties van 90 procent nauwkeurigheid zonder valse positieven (d.w.z. fouten waren te wijten aan gemiste honken in plaats van verkeerde), de onderzoekers suggereren dat vier onafhankelijke metingen van dezelfde DNA-streng een nauwkeurigheid van 99,99 procent zouden opleveren, zoals vereist voor het sequencen van het menselijk genoom.

De auteurs van het onderzoek concludeerden dat de voorgestelde methode "een aanzienlijke belofte inhoudt voor realistische DNA-detectieapparaten" zonder de noodzaak van geavanceerde gegevensverwerking, microscopen, of zeer beperkte bedrijfsomstandigheden. Behalve het bevestigen van basen aan de nanoporie, alle sensorcomponenten zijn experimenteel aangetoond door andere onderzoeksgroepen. Theoretische analyse suggereert dat elementaire elektronische filtermethoden de bruikbare elektrische signalen kunnen isoleren. De voorgestelde methode kan ook worden gebruikt met andere spanningsgevoelige membranen, zoals molybdeendisulfide.

Ongeveer de helft van de simulaties werd uitgevoerd door een co-auteur van de Rijksuniversiteit Groningen in Nederland. De rest werd gedaan bij NIST.