211service.com
Grafen kunne forbedre DNA-sekventering
Lag af grafen, der kun er så tykke som et atom, kunne hjælpe med at gøre menneskelig DNA-sekventering hurtigere og billigere. Forskere fra Harvard University og MIT har vist, at ark af grafen kan være en stor forbedring i forhold til membraner, der i øjeblikket bruges til nanopore-sekventering - en teknik, der lover at fremskynde og forenkle sekventeringen af lange DNA-strenge.
Dagens sekventeringsteknikker involverer at hakke DNA op, lave mange kopier af stykkerne og læse fluorescerende molekyler knyttet til dem. Denne tilgang tager dage og koster titusindvis af dollars. I modsætning hertil kunne nanopore-sekventering i teorien analysere et helt menneskeligt genom på få timer.
Nanopore-sekventering involverer at trække en DNA-streng gennem et lille hul i en membran, der er suspenderet i en saltopløsning med en spænding påført over den. Ioner, der bevæger sig fra den ene side af membranen til den anden, skaber en elektrisk strøm. Når hver af fire forskellige DNA-baser passerer gennem poren, falder strømstyrken i forskellig grad, hvilket gør det muligt hurtigt at sekventere baserne.
De nanoporer, der i øjeblikket bruges til DNA-sekventering, er typisk lavet af bakterielle proteiner eller er ætset i siliciumnitrid-membraner. Sådanne membraner er 20 til 30 nanometer tykke. Men da afstanden mellem to DNA-baser er 0,5 nanometer, kan 40 til 60 baser sidde fast i poren ad gangen.
En tyndere membran, såsom grafen, kan muliggøre mere nøjagtig baseidentifikation. Et enkelt lag grafen er kun en nanometer tykt. Det er den tyndeste membran, der nogensinde er blevet anvendt på dette problem, siger Jene Golovchenko , en fysikprofessor ved Harvard, der ledede det nye arbejde, udgivet i Natur denne uge.
Forskerne skaber deres membran ved at placere en grafenflage over en 200 nanometer bred åbning i midten af en siliciumnitridoverflade. Så borer de et par porer, kun nanometer brede, i grafenet med en elektronstråle. Membranen nedsænkes til sidst i en saltopløsning, der er i kontakt med sølvelektroder. Forskerne observerede fald i strømmen, når en DNA-streng passerede gennem poren, hvilket viste, at metoden i sidste ende kunne bruges til at identificere DNA-baser.
To andre forskningsgrupper har demonstreret lignende bedrifter for nylig: en gruppe ved Kavli Institute of Nanoscience og Andet ved University of Pennsylvania. Disse fremskridt blev begge offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver i juli.
At identificere individuelle DNA-baser, når de passerer gennem poren, vil dog tage meget mere arbejde. Hver af de fire forskellige DNA-baser bør blokere strømmen, der passerer gennem poren, i forskellig mængde. Enhver enhed bør være i stand til at skelne mellem disse varierende mængder. Men at gøre det vil betyde præcis at kontrollere den hastighed, hvormed DNA flyver gennem poren. Sådan kontrol er den største hindring for at gøre nanopore-sekventering praktisk.
I den Natur papir, hvert DNA-molekyle, der indeholder tusindvis af baser, passerer gennem poren på hundredvis af mikrosekunder (ca. fire nanosekunder pr. base). At læse en enkelt base, en ad gangen, ville betyde, at strengen skulle være i poren mere end 1.000 gange længere, siger John Kasianowicz , en biofysiker ved National Institute of Standards and Technology, der opfandt nanopore-sekventering. Kasianowicz arbejder med naturlige membraner og porer lavet af bakterielle proteiner. Disse kan holde molekyler i titusvis af millisekunder, men er mindre stabile end siliciumnitrid og grafen.
De har taget nanopore-teknologi til det næste niveau, siger han om den seneste grafenindsats. At lave solid-state nanoporer var en god idé, og at behandle dem med grafen er et godt første skridt. Men han tilføjer: For at kunne sekventere skal du være i stand til at kontrollere strømmen af DNA gennem det og bremse det.