Le istruzioni per costruire tutte le proteine ​​del corpo sono contenute nel DNA di una persona, una serie di sostanze chimiche che, se svolto e infilato da un capo all'altro, formerebbe una frase lunga 3 miliardi di lettere. La frase di ogni persona è unica, quindi imparare a leggere le sequenze geniche nel modo più rapido ed economico possibile potrebbe aprire la strada a innumerevoli applicazioni mediche personalizzate.

I ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno ora compiuto un progresso verso la realizzazione di una nuova tecnica di sequenziamento basata sull'infilare quella stringa attraverso un minuscolo foro e sull'utilizzo di un sensore vicino per leggere ogni lettera mentre passa.

Il loro sensore del DNA è basato sul grafene, un reticolo atomicamente sottile di carbonio. Le versioni precedenti della tecnica utilizzavano solo l'imbattibile magrezza del grafene, ma la ricerca del team Penn mostra come le proprietà elettriche uniche del materiale vincitore del premio Nobel possono essere impiegate per realizzare dispositivi di sequenziamento più veloci e più sensibili.

criticamente, l'ultimo studio del team mostra come perforare questi nanopori senza rovinare la sensibilità elettrica del grafene, un rischio rappresentato dalla semplice osservazione del materiale attraverso un microscopio elettronico.

La squadra comprende Marija Drndić, professore di fisica nella Scuola delle Arti e delle Scienze, e membri nel suo laboratorio, tra cui lo studente laureato Matthew Puster e i ricercatori post-dottorato Julio Rodríguez-Manzo e Adrian Balan.

La loro ricerca è stata pubblicata sulla rivista ACS Nano .

Il gruppo di Drndić ha precedentemente dimostrato una serie di progressi verso la lettura dei geni facendoli passare attraverso un minuscolo foro, o nanoporo. Il loro studio del 2010 prevedeva di praticare un foro in un foglio di grafene, quindi mettendolo in un bagno ionico insieme ai filamenti di DNA da rilevare. Poiché ciascuna delle quattro basi, le lettere dell'alfabeto del DNA, avere una dimensione diversa, ci si aspetterebbe che un diverso numero di ioni spremere attraverso ogni base mentre il filamento passa attraverso il poro. I ricercatori potrebbero quindi interpretare la sequenza delle basi del DNA misurando il segnale elettrico degli ioni. Però, quei segnali attuali sono deboli, limitando la velocità con cui il DNA potrebbe essere sequenziato.

Molti gruppi di ricerca stanno ora esplorando diversi modi per migliorare la sensibilità e la velocità della tecnica, inclusi nuovi materiali e nuovi modi di modellare i nanopori al loro interno. Il gruppo di Drndić ha sperimentato diverse membrane, oltre ad aggiungere un'elettronica migliorata per misurare a velocità più elevate, ma il suo ultimo studio rappresenta un modo completamente nuovo di generare un segnale elettrico unico per ogni base.

"Il nostro ultimo tentativo di migliorare la tecnica è un allontanamento dal nostro lavoro precedente, però, " ha detto Drndić. "Stiamo ora cercando di misurare la corrente direttamente dal grafene, mentre prima misuravamo la corrente ionica nella soluzione mentre passa attraverso i pori."

Il team di Penn voleva vedere se i nanopori nel grafene, il materiale più conduttivo conosciuto, sarebbe in grado di percepire direttamente la differenza tra le basi. Invece delle loro diverse dimensioni, questo metodo farebbe affidamento sulle basi che alterano la carica elettrica nel materiale vicino. In questo caso, il materiale sarebbe un sottile, nastro simile a un filo di grafene. Quando ogni base passa attraverso il poro, sarebbe modulare la corrente elettrica che scorre attraverso il nastro. Le variazioni di corrente verrebbero quindi abbinate alle loro basi corrispondenti, permettendo ai ricercatori di decifrare la sequenza.

"Il vantaggio, "Balan ha detto, "Il metodo ionico è che la corrente nel nastro di grafene è mille volte più alta. Ciò significa che possiamo misurare mille volte più velocemente. Non avremmo bisogno di rallentare il DNA per effettuare una misurazione accurata di ciascuna base".

Dopo aver fabbricato i nastri di grafene su una membrana di nitruro di silicio e aver fissato i contatti metallici, i ricercatori li hanno cablati per misurare la loro resistenza e poi li hanno messi in un microscopio elettronico a trasmissione, o TEM. Questo tipo di microscopio utilizza un ampio fascio di elettroni per produrre immagini con risoluzione su scala nanometrica misurando gli elettroni mentre passano attraverso il campione, ma può essere utilizzato anche come un trapano focalizzando il raggio.

I ricercatori avevano utilizzato un TEM per perforare i nanopori in fogli di grafene per i loro precedenti esperimenti di sequenziamento, ma questa volta hanno incontrato una sfida inaspettata. Quando mettono i loro nastri nel TEM, hanno riscontrato un aumento significativo delle resistenze, sensibilità limitante.

"Solo guardare i nastri di grafene con il TEM li ha fatti degradare, " Drndić ha detto. "L'ampio raggio che usiamo per l'imaging li stava danneggiando introducendo difetti nel modello degli atomi di carbonio. Quasi non era più grafene".

"Non importava nei nostri esperimenti precedenti, "Puster ha detto "dal momento che stavamo usando il grafene solo per la sua sottigliezza e le sue proprietà meccaniche. Stavamo creando questi difetti e aumentando la resistenza, ma non ce ne siamo resi conto perché non stavamo misurando le proprietà elettriche del grafene".

Ma con la chiave di resistenza ultra-bassa del grafene per il loro dispositivo di sequenziamento proposto, la squadra è stata presentata con un dilemma; avevano bisogno di fare un buco in un punto preciso su un nastro 10, 000 volte più sottile di un capello umano mentre viene effettivamente bendato.

"Questo è stato un vero blocco stradale, "Drndić ha detto. "Come avremmo potuto perforare questi pori quando solo guardando il nastro uccide il dispositivo?"

La soluzione del team è stata quella di utilizzare una modalità di imaging diversa nel TEM, che ha prodotto una scansione approssimativa piuttosto che un'immagine ad alta definizione.

"Invece di aprire la valvola del fascio e inondare il nastro di elettroni, " Rodríguez-Manzo ha detto, "usiamo una modalità di scansione che scatta solo un'istantanea. Scattando l'immagine più sfocata che ci dice ancora dove si trova il bordo del nastro, limitiamo la quantità di elettroni che lo colpiscono."

"L'immagine che otteniamo è molto pixelata, " ha detto Puster. "Ma poi abbiamo solo bisogno di scegliere il pixel dove vogliamo mettere il poro o la tacca."

Il team ha misurato simultaneamente le resistenze dei nastri mentre scattavano queste istantanee, mostrando chiaramente che sono rimasti intatti durante tutto il processo. Hanno anche simulato la presenza di un filamento di DNA utilizzando un campo elettrico per verificare che il dispositivo fosse abbastanza sensibile da condurre esperimenti sul DNA.

"Penso che questo possa risolvere i problemi per molti nanosensori diversi, "Drndić ha detto. "Se sono fatti di grafene, nanofili, nanotubi di carbonio o altre nanostrutture, questo li aiuterà a mantenerli in ordine durante un TEM. Il trucco principale qui è perforare il nanoporo con il minor numero di immagini possibile, solo dare una rapida occhiata da sotto la benda."