Det tog 13 år och en miljard dollar att sekvensera det mänskliga genomet, ett enormt vetenskapligt företag som startade en ny era av medicin. Med dagens framsteg inom sekvenseringsteknik, samma uppgift skulle bara ha tagit ungefär en dag till en bråkdel av kostnaden. Morgondagens teknik kan minska det till bara sekunder.

Nanopore-baserad DNA-sekvensering är en tredje generationens teknologi som har potential att ytterligare förvandla hälsovården genom att tillhandahålla snabb diagnostik av sjukdomar och personalisera medicin. Ju effektivare metoden är, desto bättre. Medan företag har börjat kommersialisera tekniken, det finns hinder att övervinna.

En nanoporemetod som för närvarande används är proteinbaserad, det är, biologisk. Den använder membranproteinkomplex som har förmågan att skilja mellan enskilda nukleotider och grupper av nukleotider. Tyvärr, proteinerna bryts ner med den tunga användning som krävs för sekvensering – vilket kan vara miljontals gånger för nanoporemembranet.

Solid-state nanopore-sekvensering, i kontrast, använder syntetiska material. Tvådimensionella nanomaterial som grafen, kiselnitrid, och molybdendisulfid ger överlägsen mekanisk förmåga och termisk och kemisk stabilitet. Men, det finns fortfarande nackdelar med denna metod. Forskare behöver ytterligare undersökningar för att bättre förstå och karakterisera dessa olika fasta material.

Forskare vid Carnegie Mellon University blev fascinerade av den senaste utvecklingen i syntesen av ett annat nanomaterial, MXene. Även känd som titankarbid, det är i en klass av ett lager, tvådimensionella oorganiska föreningar som är några atomer tjocka. Ingen hade tidigare tittat på detta material för användning i nanopore DNA-sekvensering. Resultaten publicerades i tidskriften ACS Nano .

MXener är kända för sina egenskaper som kombinerar aspekter av både metaller och keramik inklusive utmärkt termisk och elektrisk ledningsförmåga, värmebeständighet, enkel bearbetning, och utmärkt volymetrisk kapacitans.

Forskarna ville utforska MXene som ett potentiellt membranmaterial för DNA-detektion och observera hur det mättes mot andra nanomaterial. Att undersöka, de använde simuleringar av molekylär dynamik för att analysera dess interaktioner med enkelsträngat DNA. De mätte fysiska egenskaper som jonström, uppehållstid, spår av DNA-baser, fysisorption, flexibilitet hos baserna, och hydrering av nanoporen.

En nanopore array kan innehålla hundratals porer med diametrar mindre än åtta nanometer. "Om nanoporerna är för stora, allt genetiskt material kommer genom membranet blandat, " förklarade Amir Barati Farimani, biträdande professor i maskinteknik. "Om för liten, det kan inte gå igenom alls."

Teamet fann att en MXene-baserad nanopor kunde upptäcka olika typer av DNA-baser med en hög känslighetsnivå. "Vi visade att MXene är ett effektivt och lovande nanomaterial för användning i en nanoporbaserad detektionsplattform, " sa Barati Farimani.

Forskarna strävar efter att utöka sitt arbete genom att utnyttja kraftfulla algoritmer för artificiell intelligens (AI) för att förbättra DNA-detektering av nanoporesystemet. DNA-baser har unika egenskaper som kan användas som input för att träna AI för att förbättra noggrannheten i DNA-detektion. Och, AI kan använda högdimensionell simuleringsdata för att lära sig och extrahera de viktigaste funktionerna för att särskilja DNA-baserna.

"Utökningarna av detta arbete lovar att avsevärt förbättra den nanoporbaserade detektionsplattformen och i slutändan övervinna tröskeln för att göra denna teknik allmänt användbar, " sa Barati Farimani.

Andra författare inkluderade Prakarsh Yadav och Zhonglin Cao, både Ph.D. studenter.