Grafen kan förbättra DNA-sekvensering

Lager av grafen som bara är så tjocka som en atom kan hjälpa till att göra mänsklig DNA-sekvensering snabbare och billigare. Forskare från Harvard University och MIT har visat att ark av grafen kan vara en stor förbättring jämfört med membran som för närvarande används för nanopore-sekvensering – en teknik som lovar att påskynda och förenkla sekvenseringen av långa DNA-strängar.

Dagens sekvenseringstekniker innebär att man skär upp DNA, gör många kopior av bitarna och läser fluorescerande molekyler som är fästa vid dem. Detta tillvägagångssätt tar dagar och kostar tiotusentals dollar. Däremot kan nanopore-sekvensering i teorin analysera ett helt mänskligt genom på några timmar.

Nanopore-sekvensering innebär att man drar en DNA-sträng genom ett litet hål i ett membran som är suspenderat i en saltlösning med en spänning pålagd över den. Joner som rör sig från ena sidan av membranet till den andra skapar en elektrisk ström. När var och en av fyra olika DNA-baser passerar genom poren, minskar strömstyrkan i olika utsträckning, vilket gör det möjligt att snabbt sekvensera baserna.

De nanoporer som för närvarande används för DNA-sekvensering är vanligtvis gjorda av bakteriella proteiner eller etsade i kiselnitridmembran. Sådana membran är 20 till 30 nanometer tjocka. Men eftersom avståndet mellan två DNA-baser är 0,5 nanometer kan 40 till 60 baser fastna i poren åt gången.

Ett tunnare membran, såsom grafen, kan möjliggöra mer exakt basidentifiering. Ett enda lager grafen är bara en nanometer tjockt. Det är det tunnaste membranet som någonsin har applicerats på detta problem, säger Jene Golovchenko , en fysikprofessor vid Harvard som ledde det nya arbetet, publicerat i Natur Denna vecka.

Forskarna skapar sitt membran genom att placera en grafenflinga över en 200 nanometer bred öppning i mitten av en kiselnitridyta. Sedan borrar de några porer, bara nanometer breda, i grafenet med en elektronstråle. Membranet är slutligen nedsänkt i en saltlösning som är i kontakt med silverelektroder. Forskarna observerade fall i strömmen när en DNA-sträng passerade genom poren, vilket visade att metoden så småningom kunde användas för att identifiera DNA-baser.

Två andra forskargrupper har nyligen visat liknande bedrifter: ett grupp vid Kavli Institute of Nanoscience and the Övrig vid University of Pennsylvania. Dessa framsteg publicerades båda i tidskriften Nanobokstäver i juli.

Att identifiera individuella DNA-baser när de passerar genom poren kommer dock att kräva mycket mer arbete. Var och en av de fyra olika DNA-baserna bör blockera strömmen som passerar genom poren med olika mängd. Alla enheter bör kunna särskilja dessa varierande mängder. Men att göra det kommer att innebära att exakt kontrollera hastigheten med vilken DNA flyger genom poren. Sådan kontroll är det största hindret för att göra nanopore-sekvensering praktisk.

I den Natur papper, varje DNA-molekyl, som innehåller tusentals baser, passerar genom poren på hundratals mikrosekunder (cirka fyra nanosekunder per bas). Att läsa en enda bas, en i taget, skulle innebära att strängen måste vara i poren mer än 1 000 gånger längre, säger John Kasianowicz , en biofysiker vid National Institute of Standards and Technology som uppfann nanopore-sekvensering. Kasianowicz arbetar med naturliga membran och porer gjorda av bakterieproteiner. Dessa kan hålla molekyler i tiotals millisekunder, men är mindre stabila än kiselnitrid och grafen.

De har tagit nanoporeteknologin till nästa nivå, säger han om de senaste grafeninsatserna. Att göra nanoporer i fast tillstånd var en utmärkt idé, och att behandla dem med grafen är ett bra första steg. Men han tillägger: För att kunna sekvensera måste man kunna kontrollera flödet av DNA genom det och sakta ner det.

Dölj