Instruktionerna för att bygga alla kroppens proteiner finns i en persons DNA, en rad kemikalier som, om den lindas av och spänns från ände till ände, skulle bilda en mening 3 miljarder bokstäver lång. Varje persons mening är unik, så att lära sig hur man läser gensekvenser så snabbt och billigt som möjligt kan bana väg för otaliga personliga medicinska tillämpningar.

Forskare vid University of Pennsylvania har nu gjort ett framsteg mot att förverkliga en ny sekvenseringsteknik baserad på att trä den strängen genom ett litet hål och använda en närliggande sensor för att läsa varje bokstav när den passerar igenom.

Deras DNA -sensor är baserad på grafen, ett atomärt tunt galler av kol. Tidigare versioner av tekniken använde sig bara av grafens oslagbara tunnhet, men Penn-teamets forskning visar hur det nobelprisvinnande materialets unika elektriska egenskaper kan användas för att göra snabbare och känsligare sekvenseringar.

Kritiskt, lagets senaste studie visar hur man borrar dessa nanoporer utan att förstöra grafenens elektriska känslighet, en risk med att helt enkelt titta på materialet genom ett elektronmikroskop.

I laget ingår Marija Drndić, professor i fysik vid Högskolan för konst och naturvetenskap, och medlemmar i hennes laboratorium, inklusive doktoranden Matthew Puster och postdoktorala forskarna Julio Rodríguez-Manzo och Adrian Balan.

Deras forskning publicerades i tidskriften ACS Nano .

Drndićs grupp har tidigare visat en rad framsteg mot att läsa gener genom att föra dem genom ett litet hål, eller nanopore. Deras studie 2010 involverade att borra ett hål i ett ark av grafen, sedan lägga det i ett joniskt bad tillsammans med DNA -strängarna som ska detekteras. Eftersom var och en av de fyra baserna, bokstäverna i DNA:s alfabet, har en annan storlek, ett annat antal joner skulle förväntas tränga igenom tillsammans med varje bas när strängen passerar genom poren. Forskare kunde sedan tolka sekvensen av DNA:s baser genom att mäta jonernas elektriska signal. Dock, de nuvarande signalerna är svaga, begränsar hastigheten med vilken DNA kan sekvenseras.

Många forskargrupper undersöker nu flera sätt att förbättra teknikens känslighet och hastighet, inklusive nya material och nya sätt att skapa nanoporer i dem. Drndićs grupp har experimenterat med olika membran, samt att lägga till förbättrad elektronik för att mäta vid högre hastigheter, men den senaste studien representerar ett helt nytt sätt att generera en elektrisk signal som är unik för varje bas.

"Vårt senaste försök att förbättra tekniken är ett avsteg från vårt tidigare arbete, dock, " sade Drndić. "Vi försöker nu mäta ström direkt från grafenet, medan vi tidigare mätte jonström i lösningen när den går genom poren."

Penn -teamet ville se om nanoporer i grafen, det mest ledande materialet som är känt, skulle kunna känna av skillnaden mellan baser direkt. Istället för deras olika storlekar, denna metod skulle förlita sig på att baserna ändrar den elektriska laddningen i det närliggande materialet. I detta fall, materialet skulle vara tunt, trådliknande band av grafen. När varje bas passerar genom poren, det skulle modulera den elektriska strömmen som flyter genom bandet. Ändringarna i strömmen skulle sedan matchas med motsvarande baser, så att forskarna kan dechiffrera sekvensen.

"Fördelen, Balan sa, "över den joniska metoden är att strömmen i grafenbandet är tusen gånger högre. Det betyder att vi kan mäta tusen gånger snabbare. Vi skulle inte behöva sakta ner DNA:t för att göra en noggrann mätning av varje bas."

Efter att ha tillverkat grafenbanden på ett kiselnitridmembran och fäst metallkontakter, forskarna kopplade in dem för att mäta deras motstånd och placerade dem sedan i ett transmissionselektronmikroskop, eller TEM. Denna typ av mikroskop använder en bred stråle av elektroner för att producera bilder med nanoskala upplösning genom att mäta elektronerna när de passerar genom provet, men den kan också användas som en borr genom att fokusera strålen.

Forskarna hade använt en TEM för att borra nanoporer i grafenark för sina tidigare sekvenseringsexperiment men mötte en oväntad utmaning den här gången. När de sätter sina band i TEM, de fann att motstånden ökade betydligt, begränsande känslighet.

"Bara titta på grafenbanden med TEM fick dem att försämras, " Drndić sa. "Den breda strålen vi använder för avbildning skadade dem genom att introducera defekter i mönstret av kolatomer. Det var nästan inte grafen längre. "

"Det spelade ingen roll i våra tidigare experiment, " sade Puster, "eftersom vi bara använde grafen för dess tunnhet och mekaniska egenskaper. Vi skapade dessa defekter och höjde motståndet, men vi insåg det inte eftersom vi inte mätte grafenens elektriska egenskaper."

Men med grafens ultralåga motståndsnyckel till deras föreslagna sekvenseringsenhet, laget fick ett problem; de behövde sticka hål på en exakt plats på ett band 10, 000 gånger tunnare än ett människohår samtidigt som det är effektivt med ögonbindel.

"Detta var en riktig vägspärr, " Sa Drndić. "Hur skulle vi borra dessa porer när bara titta på bandet dödar enheten?"

Teamets lösning var att använda ett annat bildläge i TEM, vilket gav en grov skanning snarare än högupplöst bild.

"Istället för att öppna strålventilen och översvämma bandet med elektroner, Rodríguez-Manzo sa, "Vi använder ett skanningsläge som bara tar en ögonblicksbild. Genom att ta den suddigaste bilden som fortfarande berättar var kanten på bandet är, vi begränsar mängden elektroner som träffar den."

"Bilden vi får tillbaka är väldigt pixlad, "Puster sa." Men då behöver vi bara välja pixeln där vi vill placera poren eller hacket. "

Teamet mätte samtidigt bandens motstånd när de tog dessa ögonblicksbilder, vilket tydligt visar att de förblev oskadade under hela processen. De simulerade också närvaron av en DNA -sträng genom att använda ett elektriskt fält för att testa att enheten skulle vara tillräckligt känslig för att utföra DNA -experiment med.

"Jag tror att detta kan lösa problem för många olika nanosensorer, " sa Drndić. "Oavsett om de är gjorda av grafen, nanotrådar, kolnanorör eller andra nanostrukturer, detta hjälper till att hålla dem i fungerande skick medan de är i en TEM. Huvudtricket här är att borra nanoporen med så lite avbildning som möjligt, bara ta en snabb titt under ögonbindeln."