Zullen siliciumnitride en gemeenschappelijke chemie een revolutie teweegbrengen in genomische sequencing?

Genomische sequencing heeft een revolutie teweeggebracht in ons begrip van geneeskunde en evolutie, zoals het identificeren van erfelijke afwijkingen. Arrays van gaten ter grootte van nanometers – nanoporiën – in siliciumnitride kunnen dergelijke analyses in principe drastisch versnellen en de kosten ervan verlagen. DNA-moleculen passeren dergelijke nanoporiën echter veel te snel voor detectie, waardoor er slechts zwakke signalen ontstaan ​​die vaak moeilijk te analyseren zijn. Nu heeft een onderzoek onder leiding van het Instituut voor Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek (SANKEN) aan de Universiteit van Osaka een methode gebruikt om DNA-detectie in nanoporiën te verbeteren door de elektrische eigenschappen van het DNA binnenin te manipuleren en de doorvoer ervan te vertragen.

De directe compatibiliteit van siliciumnitride met compacte elektronica trekt al lang onderzoekers aan op het grensvlak van biologie en technologie. Het gebruik van overeenkomstige nanoporiën voor DNA-sequencing heeft echter te maken gehad met knelpunten die moeilijk te overwinnen zijn. “DNA beweegt meestal te snel door de nanoporiën en de instrumentele respons is te zwak om de genoomsequentie te lezen”, legt Makusu Tsutsui, hoofdauteur, uit. “Ons onderzoek zou dit kunnen veranderen. Door simpelweg glycerol in plaats van water aan één kant van de nanoporiën te gebruiken, kunnen afzonderlijke DNA-moleculen worden gedetecteerd.”

De op nanoporiën gebaseerde DNA-detectiestrategie van de onderzoekers bewaakt de verandering in elektrische stroom bij doorvoer van een DNA-molecuul door de nanopore. Water wordt vaak gebruikt aan beide zijden van de nanoporie. Door aan één kant glycerol te gebruiken, verandert de stroom van oplosmiddel door de nanoporiën aanzienlijk. De manier waarop deze veranderde stroom oplosmiddel de ionenstroom door de nanoporie wijzigt, verhoogt de intensiteit van de uitlezing van het instrument, zodat DNA-moleculen kunnen worden gedetecteerd.

“Het verschil in viscositeit tussen de twee uiteinden van de nanoporie zorgt ervoor dat alles werkt”, zegt senior auteur Tomoji Kawai. “De veranderde vloeistofstroom door het kanaal verandert de elektrische respons van het DNA in het kanaal en vertraagt ​​de DNA-transit voldoende voor een verdere verbeterde instrumentele detectie.”

Een beperking van deze methode is dat snelle stroomschommelingen aanzienlijke ruis toevoegen aan de instrumentele uitlezing. De onderzoekers merkten op dat wiskundige hulpmiddelen zoals wavelet-transformaties kunnen worden gebruikt om dit aan te pakken, omdat deze hulpmiddelen ideaal zijn voor het analyseren van tijdelijk fluctuerende elektrische responsgegevens van DNA.

De detectie van DNA-moleculen kan ook genomische sequencing vergemakkelijken, wat een uitgebreide uitlezing van de DNA-samenstelling oplevert. Misschien kunnen onderzoekers met dergelijke mogelijkheden solid-state nanoporiën integreren met compacte elektronica voor ongekende functionaliteit, zoals het in realtime identificeren van erfelijke afwijkingen.

De studie is gepubliceerd in Kleine methoden.