I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno simulato un nuovo concetto di rapida, sequenziamento genico accurato tirando una molecola di DNA attraverso un minuscolo, buco attivato chimicamente nel grafene, un foglio ultrasottile di atomi di carbonio, e che rileva i cambiamenti nella corrente elettrica.
Lo studio del NIST suggerisce che il metodo potrebbe identificare circa 66 miliardi di basi, le più piccole unità di informazione genetica, al secondo con una precisione del 90% e senza falsi positivi. Se dimostrato sperimentalmente, il metodo NIST potrebbe in definitiva essere più veloce ed economico del sequenziamento del DNA convenzionale, soddisfare un'esigenza critica per applicazioni come la medicina legale.
Sequenziamento convenzionale, sviluppato negli anni '70, comporta la separazione, copiando, etichettare e riassemblare pezzi di DNA per leggere le informazioni genetiche. La nuova proposta del NIST è una svolta rispetto alla più recente idea di "sequenziamento dei nanopori" di estrarre il DNA attraverso un foro in materiali specifici, originariamente una proteina. Questo concetto, introdotto 20 anni fa al NIST, si basa sul passaggio di particelle caricate elettricamente (ioni) attraverso il poro. L'idea rimane popolare ma pone sfide come rumore elettrico indesiderato, o interferenza, e selettività inadeguata.
Al contrario, La nuova proposta del NIST è quella di creare legami chimici temporanei e fare affidamento sulla capacità del grafene di convertire le sollecitazioni meccaniche dalla rottura di quei legami in lampi misurabili di corrente elettrica.
"Questo è essenzialmente un minuscolo sensore di deformazione, " dice il teorico del NIST Alex Smolyanitsky, che ha avuto l'idea e ha guidato il progetto. "Non abbiamo inventato una tecnologia completa. Abbiamo delineato un nuovo principio fisico che può potenzialmente essere di gran lunga superiore a qualsiasi altra cosa là fuori".
Il grafene è popolare nelle proposte di sequenziamento dei nanopori grazie alle sue proprietà elettriche e alla struttura miniaturizzata del film sottile. Nel nuovo metodo NIST, un nanonastro di grafene (4,5 x 15,5 nanometri) ha diverse copie di una base attaccata al nanoporo (2,5 nm di larghezza). Il codice genetico del DNA è costituito da quattro tipi di basi, che si legano a coppie come citosina-guanina e timina-adenina.
Nelle simulazioni (vedi animazione allegata) di come il sensore si comporterebbe a temperatura ambiente in acqua, la citosina è attaccata al nanoporo per rilevare la guanina. Una molecola di DNA a singolo filamento (decompressa) viene tirata attraverso il poro. Quando passa la guanina, si formano legami idrogeno con la citosina. Mentre il DNA continua a muoversi, il grafene viene tirato e poi torna in posizione quando i legami si rompono.
Lo studio del NIST si è concentrato su come questo ceppo influenza le proprietà elettroniche del grafene e ha scoperto che cambiamenti temporanei nella corrente elettrica indicano effettivamente che una base bersaglio è appena passata. Per rilevare tutte e quattro le basi, quattro nastri di grafene, ciascuno con una base diversa inserita nel poro, possono essere impilati verticalmente per creare un sensore DNA integrato.
I ricercatori hanno combinato i dati simulati con la teoria per stimare i livelli di variazioni misurabili del segnale. La potenza del segnale era nell'intervallo dei milliampere, più forte rispetto ai precedenti metodi a nanopori con corrente ionica. Sulla base delle prestazioni di una precisione del 90% senza falsi positivi (ad es. gli errori erano dovuti a basi mancate piuttosto che errate), i ricercatori suggeriscono che quattro misurazioni indipendenti dello stesso filamento di DNA produrrebbero una precisione del 99,99%, come richiesto per il sequenziamento del genoma umano.
Gli autori dello studio hanno concluso che il metodo proposto mostra "una promessa significativa per dispositivi di rilevamento del DNA realistici" senza la necessità di un'elaborazione avanzata dei dati, microscopi, o condizioni operative molto ristrette. Oltre ad attaccare le basi al nanoporo, tutti i componenti del sensore sono stati dimostrati sperimentalmente da altri gruppi di ricerca. L'analisi teorica suggerisce che i metodi di filtraggio elettronico di base potrebbero isolare i segnali elettrici utili. Il metodo proposto potrebbe essere utilizzato anche con altre membrane sensibili alla deformazione, come il bisolfuro di molibdeno.
Circa la metà delle simulazioni è stata eseguita da un coautore dell'Università di Groningen nei Paesi Bassi. Il resto è stato fatto al NIST.
