Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en medewerkers hebben een ontwerp voorgesteld voor de eerste DNA-sequencer op basis van een elektronische nanosensor die kleine bewegingen zo klein als een enkel atoom kan detecteren.

Het voorgestelde apparaat - een type condensator, die elektrische lading opslaat - is een klein lint van molybdeendisulfide dat over een metalen elektrode is opgehangen en in water is ondergedompeld. Het lint is 15,5 nanometer (nm, miljardsten van een meter) lang en 4,5 nm breed. Enkelstrengs DNA, met een reeks basen (stukjes genetische code), wordt door een gat van 2,5 nm breed in het dunne lint geregen. Het lint buigt alleen wanneer een DNA-base paren met en vervolgens scheidt van een complementaire base die aan het gat is bevestigd. De membraanbeweging wordt gedetecteerd als een elektrisch signaal.

Zoals beschreven in een nieuw artikel, het NIST-team maakte numerieke simulaties en theoretische schattingen om aan te tonen dat het membraan 79 tot 86 procent nauwkeurig zou zijn in het identificeren van DNA-basen in een enkele meting met snelheden tot ongeveer 70 miljoen basen per seconde. Geïntegreerde schakelingen zouden elektrische signalen detecteren en meten en basen identificeren. De resultaten suggereren dat een dergelijk apparaat een snelle, nauwkeurige en kosteneffectieve DNA-sequencer, volgens het papier.

Conventionele sequentiëring, ontwikkeld in de jaren 70, gaat scheiden, kopiëren, het labelen en samenvoegen van stukjes DNA om de genetische informatie te lezen. Nieuwere methoden omvatten geautomatiseerde sequencing van veel DNA-fragmenten tegelijk - nog steeds kostbaar - en nieuwe concepten voor 'nanoporesequencing'. Bijvoorbeeld, dezelfde NIST-groep demonstreerde onlangs het idee om DNA te sequencen door het door een grafeen-nanoporie te leiden, en meten hoe de elektronische eigenschappen van grafeen reageren op spanning.

Het nieuwste NIST-voorstel is gebaseerd op een dunne film van molybdeendisulfide - een stabiel, gelaagd materiaal dat elektriciteit geleidt en vaak als smeermiddel wordt gebruikt. Onder andere voordelen, dit materiaal hecht niet aan DNA, wat een probleem kan zijn met grafeen. Het NIST-team suggereert dat de methode zelfs zou kunnen werken zonder een nanoporie - een eenvoudiger ontwerp - door DNA over de rand van het membraan te leiden.

"Deze benadering lost mogelijk het probleem op waarbij DNA aan grafeen blijft kleven als het onjuist wordt ingebracht, omdat deze benadering geen gebruik maakt van grafeen, punt uit, "NIST-theoreticus en hoofdauteur Alex Smolyanitsky zei. "Een ander groot verschil is dat in plaats van te vertrouwen op de eigenschappen van grafeen of een bepaald materiaal dat wordt gebruikt, we lezen bewegingen elektrisch op een gemakkelijkere manier door een condensator te vormen. Dit maakt elk elektrisch geleidend membraan geschikt voor de toepassing."

Nanomaterialen-expert Boris Yakobson van Rice University, een co-auteur op het papier, stelde het condensatoridee voor. Computational support werd geleverd door de Rijksuniversiteit Groningen in Nederland.

DNA heeft vier basen. Voor de simulaties cytosine (C), die van nature gepaard gaat met guanine (G), zit vast aan de binnenkant van de porie. Als een stukje DNA door de porie gaat, elke G in de streng hecht tijdelijk aan de ingebedde C, aan het nanolint trekken en de elektrode signaleren. De DNA-sequentie wordt bepaald door te meten hoe en wanneer elektrische blips in de loop van de tijd variëren. Om alle vier de basen te detecteren, vier nanolinten, elk met een andere basis bevestigd aan de porie, kan verticaal worden gestapeld om een ​​geïntegreerde DNA-sensor te creëren.

Het molybdeendisulfidelint is flexibel genoeg om meetbaar te vervormen als reactie op de krachten die nodig zijn om een ​​DNA-paar te verbreken, maar rigide genoeg om minder aan de gang te hebben, zinloze beweging dan grafeen, mogelijk ongewenste ruis in de sequentiëringssignalen verminderen. De doorbuiging van het lint is buitengewoon klein, in de orde van één angstrom, de grootte van een waterstofatoom. De trekkracht is in de orde van 50 piconewton, of biljoensten van een newton, genoeg om de delicate chemische bindingen tussen DNA-basen te verbreken.

Onderzoekers schatten hoe het apparaat zou presteren in een geïntegreerd circuit en ontdekten dat de piekstromen door de condensator meetbaar waren (50 tot 70 picoampère), zelfs voor de kleine nanoribbons die werden bestudeerd. In fysieke systemen zullen de stroompieken naar verwachting nog groter zijn. De grootte van het apparaat kan worden aangepast om het nog eenvoudiger te maken om sequencing-signalen te meten.

De NIST-auteurs hopen in de toekomst een fysieke versie van het apparaat te bouwen. Voor praktische toepassingen, the chip-sized DNA sequencing microfluidic technology might be combined with electronics into a single device small enough to be handheld.