La medicina personalizzata basata sui geni ha molte possibilità di diagnosi e terapia mirata, ma un grosso collo di bottiglia:il costoso e lungo processo di sequenziamento del DNA.

Ora, i ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno scoperto che i nanopori nel materiale disolfuro di molibdeno (MoS2) potrebbero sequenziare il DNA in modo più accurato, rapido ed economico di qualsiasi cosa ancora disponibile.

"Una delle grandi aree della scienza è sequenziare il genoma umano per meno di $ 1, 000, il 'genoma a casa, '", ha detto Narayana Aluru, un professore di scienze meccaniche e ingegneria presso l'Università di I. che ha guidato lo studio. "Ora c'è una caccia per trovare il materiale giusto. Abbiamo usato MoS2 per altri problemi, e abbiamo pensato, perché non lo proviamo e vediamo come funziona per il sequenziamento del DNA?"

Come risulta, MoS2 supera tutti gli altri materiali utilizzati per il sequenziamento del DNA dei nanopori, persino il grafene.

Un nanoporo è un foro molto piccolo praticato attraverso un sottile foglio di materiale. Il poro è abbastanza grande da consentire il passaggio di una molecola di DNA. Una corrente elettrica guida il DNA attraverso il nanoporo, e le fluttuazioni della corrente mentre il DNA passa attraverso il poro dicono la sequenza del DNA, poiché ciascuna delle quattro lettere dell'alfabeto del DNA – A, C, G e T – sono leggermente diversi per forma e dimensione.

La maggior parte dei materiali utilizzati per il sequenziamento del DNA dei nanopori ha un difetto considerevole:sono troppo spessi. Anche un sottile foglio della maggior parte dei materiali si estende su più collegamenti della catena del DNA, rendendo impossibile determinare con precisione l'esatta sequenza del DNA.

Il grafene è diventato un'alternativa popolare, poiché è un foglio costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, il che significa che solo una base alla volta passa attraverso il nanoporo. Sfortunatamente, il grafene ha i suoi problemi, il più grande è che il DNA si attacca ad esso. Il DNA che interagisce con il grafene introduce molto rumore che rende difficile leggere la corrente, come una stazione radio disturbata da forti scariche.

MoS2 è anche un foglio monostrato, abbastanza sottile che solo una lettera di DNA alla volta passa attraverso il nanoporo. Nello studio, i ricercatori dell'Illinois hanno scoperto che il DNA non si attacca a MoS2, ma passa attraverso il poro in modo pulito e rapido. Guarda un'animazione qui sotto:

"MoS2 è un concorrente del grafene in termini di transistor, ma abbiamo mostrato qui una nuova funzionalità di questo materiale dimostrando che è in grado di biosensing, " ha detto il dottorando Amir Barati Farimani, il primo autore del saggio.

Più eccitante per i ricercatori, le simulazioni hanno prodotto quattro segnali distinti corrispondenti alle basi in una molecola di DNA a doppio filamento. Altri sistemi ne hanno prodotti al massimo due - A/T e C/G - che richiedono quindi un'analisi computazionale approfondita per tentare di distinguere A da T e C da G.

La chiave del successo della complessa simulazione e analisi di MoS2 è stato il supercomputer Blue Waters, situato presso il National Center for Supercomputing Applications presso l'U. of I.

"Sono calcoli molto dettagliati, " disse Aluru, che fa anche parte del Beckman Institute for Advanced Science and Technology presso l'U. of I. "Ci dicono davvero la fisica dei meccanismi reali, e perché MoS2 ha prestazioni migliori di altri materiali. Abbiamo queste intuizioni ora grazie a questo lavoro, che utilizzava ampiamente Blue Waters."

Ora, i ricercatori stanno esplorando se possono ottenere prestazioni ancora maggiori accoppiando MoS2 con un altro materiale per formare un a basso costo, dispositivo di sequenziamento del DNA veloce e preciso.

"L'obiettivo finale di questa ricerca è realizzare una sorta di dispositivo di sequenziamento del DNA personale o domestico, Ha detto Barati Farimani. “Siamo sulla strada per arrivarci, trovando le tecnologie che possono rapidamente, identificare in modo economico e accurato il genoma umano. Avere una mappa del proprio DNA può aiutare a prevenire o rilevare malattie nelle prime fasi dello sviluppo. Se tutti potessero sequenziare a buon mercato in modo da poter conoscere la mappa della loro genetica, possono essere molto più attenti a ciò che accade nei loro corpi".