Genbaserad personlig medicin har många möjligheter för diagnos och riktad terapi, men en stor flaskhals:den dyra och tidskrävande DNA-sekvenseringsprocessen.

Nu, forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har funnit att nanoporer i materialet molybdendisulfid (MoS2) kan sekvensera DNA mer exakt, snabbt och billigt än vad som än är tillgängligt.

"Ett av de stora områdena inom vetenskapen är att sekvensera det mänskliga genomet för under $ 1, 000, 'genomet-hemma, sade Narayana Aluru, en professor i mekanisk vetenskap och teknik vid U. of I. som ledde studien. "Det finns nu en jakt på att hitta rätt material. Vi har använt MoS2 för andra problem, och vi tänkte, varför inte prova det och se hur det fungerar för DNA -sekvensering? "

Som det visar sig, MoS2 överträffar alla andra material som används för nanopore -DNA -sekvensering - även grafen.

En nanopore är ett mycket litet hål som borras genom ett tunt materialark. Poren är precis tillräckligt stor för att en DNA -molekyl ska tränga igenom. En elektrisk ström driver DNA genom nanoporen, och fluktuationerna i strömmen när DNA:t passerar genom poren berättar sekvensen av DNA:t, eftersom var och en av de fyra bokstäverna i DNA -alfabetet - A, C, G och T - är något olika i form och storlek.

De flesta material som används för nanopore -DNA -sekvensering har en stor brist:De är för tjocka. Även ett tunt ark av de flesta material sträcker sig över flera länkar i DNA -kedjan, vilket gör det omöjligt att exakt bestämma den exakta DNA -sekvensen.

Graphene har blivit ett populärt alternativ, eftersom det är ett ark som består av ett enda lager kolatomer - vilket betyder att endast en bas i taget går genom nanoporen. Tyvärr, grafen har sina egna problem, det största är att DNA:n håller sig till det. DNA som interagerar med grafen introducerar mycket brus som gör det svårt att läsa strömmen, som en radiostation som skäms av högljudd statik.

MoS2 är också ett ettskiktsark, tunn nog att bara en DNA -bokstav i taget går genom nanoporen. I studien, Illinois -forskarna fann att DNA inte håller sig till MoS2, men trådar rent och snabbt genom poren. Se en animering nedan:

"MoS2 är en konkurrent till grafen när det gäller transistorer, men vi visade här en ny funktionalitet för detta material genom att visa att det kan biosensera, "sade doktoranden Amir Barati Farimani, tidningens första författare.

Mest spännande för forskarna, simuleringarna gav fyra distinkta signaler motsvarande baserna i en dubbelsträngad DNA-molekyl. Andra system har i bästa fall gett två - A/T och C/G - som sedan kräver omfattande beräkningsanalys för att försöka skilja A från T och C från G.

Nyckeln till framgången för den komplexa MoS2 -simuleringen och analysen var Blue Waters superdator, ligger vid National Center for Supercomputing Applications vid U. av I.

"Det här är mycket detaljerade beräkningar, "sa Aluru, som också är en del av Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid U. av I. "De berättar verkligen fysiken för de faktiska mekanismerna, och varför MoS2 presterar bättre än andra material. Vi har dessa insikter nu på grund av detta arbete, som använde Blue Waters i stor utsträckning. "

Nu, forskarna undersöker om de kan uppnå ännu högre prestanda genom att koppla MoS2 med ett annat material för att bilda en billig kostnad, snabb och exakt DNA -sekvenseringsanordning.

"Det slutliga målet med denna forskning är att göra någon form av hemmabaserad eller personlig DNA-sekvensering, "Sade Barati Farimani." Vi är på väg för att komma dit, genom att hitta den teknik som snabbt kan, billigt och exakt identifiera det mänskliga genomet. Att ha en karta över ditt DNA kan hjälpa till att förebygga eller upptäcka sjukdomar i de tidigaste utvecklingsstadierna. Om alla kan ordna billigt så att de kan känna till kartan över deras genetik, de kan vara mycket mer uppmärksamma på vad som händer i deras kroppar. "