Ci sono voluti 13 anni e un miliardo di dollari per sequenziare il genoma umano, un'enorme impresa scientifica che ha lanciato una nuova era della medicina. Con i progressi odierni nella tecnologia di sequenziamento, quello stesso compito avrebbe richiesto solo circa un giorno a una frazione del costo. La tecnologia di domani potrebbe ridurlo a pochi secondi.

Il sequenziamento del DNA basato su nanopori è una tecnologia di terza generazione che ha il potenziale per trasformare ulteriormente l'assistenza sanitaria fornendo una diagnostica rapida delle malattie e personalizzando la medicina. Più efficiente è il metodo, meglio è. Mentre le aziende hanno iniziato a commercializzare la tecnologia, ci sono ostacoli da superare.

Un metodo nanopore attualmente in uso è a base di proteine, questo è, biologico. Utilizza complessi proteici di membrana che hanno la capacità di distinguere tra singoli e gruppi di nucleotidi. Sfortunatamente, le proteine ​​si rompono con l'uso pesante richiesto per il sequenziamento, che potrebbe essere milioni di volte per la membrana dei nanopori.

Sequenziamento di nanopori allo stato solido, in contrasto, utilizza materiali sintetici. Nanomateriali bidimensionali come il grafene, nitruro di silicio, e il bisolfuro di molibdeno forniscono capacità meccaniche superiori e stabilità termica e chimica. Ma, ci sono ancora degli svantaggi in questo metodo. Gli scienziati hanno bisogno di ulteriori indagini per comprendere e caratterizzare meglio questi diversi materiali allo stato solido.

I ricercatori della Carnegie Mellon University sono rimasti incuriositi dai recenti sviluppi nella sintesi di un altro nanomateriale, MXene. Conosciuto anche come carburo di titanio, è in una classe di singolo strato, composti inorganici bidimensionali dello spessore di pochi atomi. Nessuno aveva precedentemente preso in considerazione questo materiale per l'uso nel sequenziamento del DNA a nanopori. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista ACS Nano .

Gli MXene sono notevoli per le loro proprietà che combinano aspetti sia dei metalli che della ceramica, inclusa un'eccellente conduttività termica ed elettrica, resistenza al calore, facile lavorabilità, e ottima capacità volumetrica.

I ricercatori volevano esplorare MXene come potenziale materiale di membrana per il rilevamento del DNA e osservare come si misurava rispetto agli altri nanomateriali. Indagare, hanno usato simulazioni di dinamica molecolare per analizzare le sue interazioni con il DNA a singolo filamento. Hanno misurato caratteristiche fisiche come la corrente ionica, tempo di residenza, tracce di basi del DNA, fisiassorbimento, flessibilità delle basi, e idratazione del nanoporo.

Un array di nanopori può contenere centinaia di pori con diametri inferiori a otto nanometri. "Se i nanopori sono troppo grandi, tutto il materiale genetico passa attraverso la membrana mescolato insieme, "ha spiegato Amir Barati Farimani, professore assistente di ingegneria meccanica. "Se troppo piccolo, non può passare affatto."

Il team ha scoperto che un nanoporo a base di MXene era in grado di rilevare diversi tipi di basi del DNA con un alto livello di sensibilità. "Abbiamo dimostrato che MXene è un nanomateriale efficace e promettente da utilizzare in una piattaforma di rilevamento basata su nanopori, ", ha detto Barati Farimani.

I ricercatori mirano a estendere il loro lavoro sfruttando potenti algoritmi di intelligenza artificiale (AI) per migliorare il rilevamento del DNA da parte del sistema dei nanopori. Le basi del DNA hanno caratteristiche uniche che possono essere utilizzate come input per addestrare l'intelligenza artificiale a migliorare l'accuratezza del rilevamento del DNA. E, L'intelligenza artificiale può utilizzare dati di simulazione ad alta dimensionalità per apprendere ed estrarre le caratteristiche più importanti per distinguere le basi del DNA.

"Le estensioni di questo lavoro promettono di migliorare notevolmente la piattaforma di rilevamento basata sui nanopori e, infine, di superare la soglia per rendere questa tecnologia ampiamente applicabile, ", ha detto Barati Farimani.

Altri autori includevano Prakarsh Yadav e Zhonglin Cao, entrambi Ph.D. studenti.