(Phys.org) – Lockelsen med personlig medicin har gjort nya, effektivare sätt att sekvensera gener en högsta forskningsprioritet. En lovande teknik involverar att läsa DNA-baser med hjälp av förändringar i elektrisk ström när de träs genom ett nanoskopiskt hål.

Nu, ett team ledd av fysiker vid University of Pennsylvania har använt solid state nanopores för att differentiera enkelsträngade DNA-molekyler som innehåller sekvenser av en enda upprepad bas.

Studien leddes av Marija Drndić, en docent vid institutionen för fysik och astronomi vid Institutionen för konst och naturvetenskap, tillsammans med doktorander Kimberly Venta och Matthew Puster och postdoktorala forskarna Gabriel Shemer, Julio A. Rodriguez-Manzo och Adrian Balan. De samarbetade med biträdande professor Jacob K. Rosenstein vid Brown University och professor Kenneth L. Shepard vid Columbia University.

Deras resultat publicerades i tidskriften ACS Nano .

I denna teknik, kända som DNA-translokationsmätningar, DNA-strängar i en saltlösning drivs genom en öppning i ett membran av ett pålagt elektriskt fält. När varje bas av strängen passerar genom poren, det blockerar vissa joner från att passera samtidigt; förstärkare anslutna till nanopore-chippet kan registrera det resulterande fallet i elektrisk ström. Eftersom varje bas har olika storlek, forskare hoppas kunna använda dessa data för att sluta sig till ordningen på baserna när strängen passerar igenom. Skillnaderna i basstorlekar är så små, dock, att proportionerna av både nanoporerna och membranen måste vara nära de för själva DNA-strängarna - en stor utmaning.

Nanopore-enheterna närmast att vara ett kommersiellt gångbart alternativ för sekvensering är gjorda av proteinporer och lipiddubbelskikt. Sådana proteinporer har önskvärda proportioner, men lipiddubbelskiktsmembranen i vilka de sätts in liknar en film av tvål, vilket lämnar mycket övrigt att önska vad gäller hållbarhet och robusthet.

Solid-state nanopore-enheter, som är gjorda av tunna fasta membran, erbjuder fördelar jämfört med sina biologiska motsvarigheter – de kan enklare skickas och integreras med annan elektronik – men de grundläggande demonstrationerna av proof-of-principle-känslighet för olika DNA-baser har varit långsammare.

"Medan biologiska nanoporer har visat förmågan att lösa upp enskilda nukleotider, Solid-state-alternativ har släpat efter på grund av två utmaningar med att faktiskt tillverka rätt stora porer och uppnå hög signal, mätningar med lågt brus och hög bandbredd, " Drndić sa. "Vi attackerar de två utmaningarna här."

Eftersom mekanismen genom vilken nanoporen skiljer mellan en typ av bas och en annan är genom mängden av porens öppning som är blockerad, ju mindre en pordiameter, desto mer exakt är det. För att nanoporen ska vara effektiv för att bestämma en sekvens av baser, dess diameter måste närma sig diametern på DNA:t och dess tjocklek måste närma sig utrymmet mellan en bas och nästa, eller cirka 0,3 nanometer.

För att få fasta nanoporer och membran i dessa små proportioner, forskare, inklusive Drndićs grupp, undersöker banbrytande material, som grafen. Ett enda lager av kolatomer i ett hexagonalt gitter, grafenmembran kan göras lite som cirka 0,5 nanometer tjocka men har sina egna nackdelar som måste åtgärdas. Till exempel, materialet i sig är hydrofobt, vilket gör det svårare att passera DNA-strängar genom dem.

I detta experiment, Drndić och hennes kollegor arbetade med ett annat material - kiselnitrid - snarare än att försöka tillverka enatomtjocka grafenmembran för nanoporer. Behandlad kiselnitrid är hydrofil och har lätt tillåtit DNA-translokationer, som uppmätts av många andra forskare under det senaste decenniet. Och medan deras membran är tjockare, ca 5 nanometer, kiselnitridporer kan också närma sig grafen vad gäller tunnhet på grund av sättet de tillverkas.

"Sättet vi gör nanoporerna i kiselnitrid gör att de avsmalnar, så att den effektiva tjockleken är ungefär en tredjedel av resten av membranet, " sa Drndić.

Drndić och hennes kollegor testade sin kiselnitrid nanopore på homopolymerer, eller enkla DNA-strängar med sekvenser som består av endast en bas som upprepas flera gånger. Forskarna kunde göra distinkta mätningar för tre av de fyra baserna:adenin, cytosin och tymin. De försökte inte mäta guanin eftersom homopolymerer gjorda med den basen binder tillbaka på sig själva, vilket gör det svårare att passera dem genom nanoporerna.

"Vi visar att dessa små porer är känsliga för basinnehållet, " Drndić sa, "och vi såg dessa resultat i porer med diametrar mellan 1 och 2 nanometer, vilket faktiskt är uppmuntrande eftersom det tyder på att viss tillverkningsvariation kan vara okej."