Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har simulerat ett nytt koncept för snabb, exakt gensekvensering genom att dra en DNA -molekyl genom en liten, kemiskt aktiverat hål i grafen - ett ultratunt ark med kolatomer - och detekterar förändringar i elektrisk ström.
NIST -studien föreslår att metoden skulle kunna identifiera cirka 66 miljarder baser - de minsta enheterna av genetisk information - per sekund med 90 procent noggrannhet och inga falska positiva. Om det demonstreras experimentellt, NIST -metoden kan i slutändan vara snabbare och billigare än konventionell DNA -sekvensering, möter ett kritiskt behov av applikationer som kriminalteknik.
Konventionell sekvensering, utvecklades på 1970 -talet, innebär att separera, kopiering, märkning och återmontering av bitar av DNA för att läsa den genetiska informationen. Det nya NIST -förslaget är en twist på den nyare "nanoporesekvenseringstanken" att dra DNA genom ett hål i specifika material, ursprungligen ett protein. Detta koncept - som föregångare för 20 år sedan vid NIST - är baserat på passage av elektriskt laddade partiklar (joner) genom poren. Idén är fortfarande populär men ställer utmaningar som oönskat elektriskt buller, eller störningar, och otillräcklig selektivitet.
Däremot, NIST:s nya förslag är att skapa tillfälliga kemiska bindningar och förlita sig på grafenens förmåga att omvandla de mekaniska stammarna från att bryta dessa bindningar till mätbara flippar i elektrisk ström.
"Detta är i huvudsak en liten töjningssensor, "säger NIST -teoretikern Alex Smolyanitsky, som kom på idén och ledde projektet. "Vi uppfann inte en komplett teknik. Vi skisserade en ny fysisk princip som potentiellt kan vara mycket överlägsen allt annat där ute."
Grafen är populärt i nanoporesekvenseringsförslag på grund av dess elektriska egenskaper och miniatyriserade tunnfilmsstruktur. I den nya NIST -metoden, ett grafen -nanoribbon (4,5 x 15,5 nanometer) har flera kopior av en bas fäst vid nanoporen (2,5 nm bred). DNA:s genetiska kod är uppbyggd av fyra typer av baser, som binder parvis som cytosin-guanin och tymin-adenin.
I simuleringar (se medföljande animation) av hur sensorn skulle fungera vid rumstemperatur i vatten, cytosin är fäst vid nanoporen för att detektera guanin. En enkelsträngad DNA-molekyl dras genom poren. När guanine passerar, vätebindningar bildas med cytosinet. När DNA fortsätter att röra sig, grafen ryckes och glider sedan tillbaka på plats när bindningarna bryts.
NIST -studien fokuserade på hur denna stam påverkar grafens elektroniska egenskaper och fann att tillfälliga förändringar i elektrisk ström verkligen tyder på att en målbas just har passerat. För att upptäcka alla fyra baser, fyra grafenband, var och en med en annan bas införd i poren, kan staplas vertikalt för att skapa en integrerad DNA -sensor.
Forskarna kombinerade simulerade data med teori för att uppskatta mätbara signalvariationer. Signalstyrkan var i milliampereområdet, starkare än i de tidigare jonström-nanopore-metoderna. Baserat på prestanda med 90 procents noggrannhet utan några falska positiva (dvs. fel berodde på missade baser snarare än felaktiga) forskarna föreslår att fyra oberoende mätningar av samma DNA -sträng skulle ge 99,99 procents noggrannhet, som krävs för sekvensering av det mänskliga genomet.
Studieförfattarna drog slutsatsen att den föreslagna metoden visar "betydande löfte för realistiska DNA -avkänningsanordningar" utan behov av avancerad databehandling, mikroskop, eller mycket begränsade driftsförhållanden. Annat än att fästa baser till nanoporen, alla sensorkomponenter har demonstrerats experimentellt av andra forskargrupper. Teoretisk analys tyder på att grundläggande elektroniska filtreringsmetoder kan isolera användbara elektriska signaler. Den föreslagna metoden kan också användas med andra stamkänsliga membran, såsom molybden -disulfid.
Ungefär hälften av simuleringarna utfördes av en medförfattare vid universitetet i Groningen i Nederländerna. Resten gjordes på NIST.
