211service.com
Grafeen kan DNA-sequencing verbeteren
Lagen grafeen die slechts zo dik zijn als een atoom, kunnen helpen om het DNA-sequencing van mensen sneller en goedkoper te maken. Onderzoekers van Harvard University en MIT hebben aangetoond dat vellen grafeen een grote verbetering kunnen zijn ten opzichte van membranen die momenteel worden gebruikt voor nanopore-sequencing - een techniek die belooft de sequencing van lange DNA-strengen te versnellen en te vereenvoudigen.
De sequencing-technieken van tegenwoordig omvatten het hakken van DNA, het maken van veel kopieën van de stukjes en het lezen van fluorescerende moleculen die eraan vastzitten. Deze aanpak duurt dagen en kost tienduizenden dollars. Daarentegen zou nanopore-sequencing in theorie een heel menselijk genoom in een paar uur kunnen ontleden.
Nanopore-sequencing houdt in dat een DNA-streng door een klein gaatje in een membraan wordt getrokken dat is opgehangen in een zoutoplossing met een spanning erop. Ionen die van de ene kant van het membraan naar de andere gaan, wekken een elektrische stroom op. Omdat elk van de vier verschillende DNA-basen door de porie gaat, neemt de stroomsterkte in een andere mate af, waardoor het mogelijk wordt om de basen snel te sequensen.
De nanoporiën die momenteel worden gebruikt voor DNA-sequencing zijn meestal gemaakt van bacteriële eiwitten of zijn geëtst in siliciumnitridemembranen. Dergelijke membranen zijn 20 tot 30 nanometer dik. Maar aangezien de afstand tussen twee DNA-basen 0,5 nanometer is, kunnen er 40 tot 60 basen tegelijk in de porie vastzitten.
Een dunner membraan, zoals grafeen, kan een nauwkeurigere basisidentificatie mogelijk maken. Een enkele laag grafeen is slechts één nanometer dik. Het is het dunste membraan dat ooit op dit probleem is toegepast, zegt Jene Golovchenko , een natuurkundeprofessor aan Harvard die het nieuwe werk leidde, gepubliceerd in Natuur deze week.
De onderzoekers maken hun membraan door een grafeenvlok over een 200 nanometer brede opening in het midden van een siliciumnitride-oppervlak te plaatsen. Vervolgens boren ze met een elektronenstraal enkele nanometer brede poriën in het grafeen. Het membraan wordt uiteindelijk ondergedompeld in een zoutoplossing die in contact staat met zilverelektroden. De onderzoekers zagen stroomonderbrekingen wanneer een DNA-streng door de porie ging, wat aantoont dat de methode uiteindelijk zou kunnen worden gebruikt om DNA-basen te identificeren.
Twee andere onderzoeksgroepen hebben onlangs soortgelijke prestaties aangetoond: een groep aan het Kavli Institute of Nanoscience en de ander aan de Universiteit van Pennsylvania. Deze vorderingen werden beide gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters in juli.
Het identificeren van individuele DNA-basen terwijl ze door de porie gaan, zal echter veel meer werk vergen. Elk van de vier verschillende DNA-basen zou de stroom die door de porie gaat met een andere hoeveelheid moeten blokkeren. Elk apparaat zou deze verschillende hoeveelheden moeten kunnen onderscheiden. Maar om dat te doen, moet je precies de snelheid regelen waarmee DNA door de porie vliegt. Een dergelijke controle is de grootste hindernis om nanopore-sequencing praktisch te maken.
In de Natuur papier, elk DNA-molecuul, dat duizenden basen bevat, passeert de porie in honderden microseconden (ongeveer vier nanoseconden per base). Een enkele base één voor één lezen, zou betekenen dat de streng meer dan 1000 keer langer in de porie zou moeten zitten, zegt John Kasianowicz , een biofysicus bij het National Institute of Standards and Technology die nanopore-sequencing uitvond. Kasianowicz werkt met natuurlijke membranen en poriën gemaakt van bacteriële eiwitten. Deze kunnen moleculen tientallen milliseconden vasthouden, maar zijn minder stabiel dan siliciumnitride en grafeen.
Ze hebben nanoporiëntechnologie naar een hoger niveau getild, zegt hij over de recente grafeeninspanningen. Het maken van nanoporiën in vaste toestand was een geweldig idee, en ze bewerken met grafeen is een geweldige eerste stap. Maar hij voegt eraan toe: om te kunnen sequensen, moet je de DNA-stroom erdoorheen kunnen beheersen en vertragen.