Door nanoporiën dringen: genetische sequencing met MXene

Het kostte 13 jaar en een miljard dollar om het menselijk genoom te sequensen, een enorme wetenschappelijke onderneming die een nieuw tijdperk van geneeskunde inluidde. Met de huidige vooruitgang in sequencing-technologie zou diezelfde taak slechts ongeveer een dag hebben geduurd tegen een fractie van de kosten. De technologie van morgen zou dat kunnen terugbrengen tot slechts enkele seconden.

Op nanoporiën gebaseerde DNA-sequencing is een technologie van de derde generatie die het potentieel heeft om de gezondheidszorg verder te transformeren door snelle diagnostiek van ziekten en het personaliseren van medicijnen. Hoe efficiënter de methode, hoe beter. Hoewel bedrijven zijn begonnen met het commercialiseren van de technologie, zijn er hindernissen te overwinnen.

Een nanopore-methode die momenteel in gebruik is, is op basis van eiwitten, dat wil zeggen biologisch. Het maakt gebruik van membraaneiwitcomplexen die het vermogen hebben om onderscheid te maken tussen individuele en groepen nucleotiden. Helaas breken de eiwitten af ​​met het zware gebruik dat nodig is voor sequencing – wat miljoenen keren kan zijn voor het nanoporiemembraan.

Solid-state nanopore-sequencing daarentegen maakt gebruik van synthetische materialen. Tweedimensionale nanomaterialen zoals grafeen, siliciumnitride en molybdeendisulfide bieden superieure mechanische eigenschappen en thermische en chemische stabiliteit. Maar er zijn nog steeds nadelen aan deze methode. Wetenschappers hebben verder onderzoek nodig om deze verschillende vastestofmaterialen beter te begrijpen en te karakteriseren.

Onderzoekers van de Carnegie Mellon University raakten geïntrigeerd door recente ontwikkelingen in de synthese van een ander nanomateriaal, MXene. Ook bekend als titaniumcarbide, bevindt het zich in een klasse van enkellaagse, tweedimensionale anorganische verbindingen die enkele atomen dik zijn. Niemand had eerder naar dit materiaal gekeken voor gebruik bij DNA-sequencing van nanoporiën. De bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.

MXenen staan ​​bekend om hun eigenschappen die aspecten van zowel metalen als keramiek combineren, waaronder uitstekende thermische en elektrische geleidbaarheid, hittebestendigheid, gemakkelijke bewerkbaarheid en uitstekende volumetrische capaciteit.

De onderzoekers wilden MXene onderzoeken als een potentieel membraanmateriaal voor DNA-detectie en observeren hoe het meette ten opzichte van de andere nanomaterialen. Om dit te onderzoeken, gebruikten ze moleculaire dynamica-simulaties om de interacties met enkelstrengs DNA te analyseren. Ze maten fysieke kenmerken zoals ionenstroom, verblijftijd, sporen van DNA-basen, fysisorptie, flexibiliteit van de basen en hydratatie van de nanoporie.

Een array met nanoporiën kan honderden poriën bevatten met een diameter kleiner dan acht nanometer. “Als de nanoporiën te groot zijn, komt al het genetische materiaal door het membraan gemengd”, legt Amir Barati Farimani, assistent-professor werktuigbouwkunde, uit. “Als het te klein is, kan het er helemaal niet door.”

Het team ontdekte dat een op MXene gebaseerde nanoporie verschillende soorten DNA-basen met een hoge gevoeligheid kon detecteren. “We hebben aangetoond dat MXene een effectief en veelbelovend nanomateriaal is voor gebruik in een op nanoporiën gebaseerd detectieplatform”, zegt Barati Farimani.

De onderzoekers streven ernaar hun werk uit te breiden door gebruik te maken van krachtige algoritmen voor kunstmatige intelligentie (AI) om de DNA-detectie door het nanoporiesysteem te verbeteren. DNA-basen hebben unieke eigenschappen die kunnen worden gebruikt als input om AI te trainen om de nauwkeurigheid van DNA-detectie te verbeteren. En AI kan gebruikmaken van hoogdimensionale simulatiegegevens om de belangrijkste kenmerken voor het onderscheiden van de DNA-basen te leren en te extraheren.

“De uitbreidingen van dit werk zijn veelbelovend voor het enorm verbeteren van het op nanoporiën gebaseerde detectieplatform en het uiteindelijk overwinnen van de drempel om deze technologie breed toepasbaar te maken,” zei Barati Farimani.

Andere auteurs waren Prakarsh Yadav en Zhonglin Cao, beide Ph.D. studenten.