Nieuwe nanopore detectieplatform maakt de weg vrij voor solid-state, labelvrije DNA-sequencing-technologieën

Een baanbrekende partnerschap tussen onderzoekers van het Grainger College of Engineering aan de University of Illinois Urbana-Champaign heeft een nieuw nanopore-sensingplatform geproduceerd voor detectie van één biomolecuul. Hun bevindingen, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciencesde weg vrijmaken voor vaste toestand, labelvrije DNA-sequencing-technologieën met implicaties voor precisiegeneeskunde.

Nanopore sensoren zijn kleine apparaten die worden gebruikt om individuele moleculen te detecteren en te analyseren door ionische veranderingen te meten terwijl de moleculen door nanometerschaalopeningen gaan. Deze sensoren zijn in twee soorten ingedeeld: één die afhankelijk is van biologische materialen en de andere op anorganische vaste statenmaterialen. DNA-sequencing met behulp van biologische nanoporiën is nu commercieel verkrijgbaar, maar Illinois Grainger-ingenieurs wilden deze technologie realiseren met behulp van solid-state materialen.

“Nanoporiën van vaste toestand zijn compatibel met productieprocessen op waferschaal en bieden daarom een ​​aanzienlijk voordeel ten opzichte van biologische nanoporiën voor massaal parallelle, goedkope sequencing”, zei Sihan Chen, een Illinois Grainger postdoctorale onderzoeker en de hoofdauteur van het artikel.

Het belangrijkste obstakel voor het realiseren van een nanopore-sequencing van vaste toestand is het creëren van een sensor die klein genoeg is om de basis-per-base resolutie te bereiken als enkele moleculen door de porie passeren en de translocatie van de moleculen elektrisch uitlezen.

In de late jaren 2000 stelde IBM het idee voor van DNA-transistoren, geconceptualiseerd met een sandwichstructuur met diëlektrische metalen en elektrostatische vallen om tegelijkertijd ratelachtige controle en detectie van DNA-translocatie mogelijk te maken. Deze structuur werd echter nooit experimenteel gerealiseerd vanwege de belangrijke uitdagingen die betrokken zijn bij het fabriceren van ultradunne metalen films die zijn ingekapseld door diëlektrische lagen met behulp van 3D-materialen.

“Er was een pauze geweest over het idee van solid-state DNA-transistors al tien jaar of zo totdat we dit idee opnieuw hebben bekeken met 2D-materialen,” zei Chen.

Serendipiteus werd een samenwerking geboren tussen Arend van der Zande, een professor in mechanische wetenschap en engineering en materiaalwetenschappen en engineering, en Rashid Bashir, een professor in bio -engineering, decaan van het Grainger College of Engineering, en een aangesloten faculteitonderzoeker in het Holonyak Micro & Nanotechnology Lab en het laboratorium van de afdeling en engineering.

Beide zijn ook lid van het Materials Research Lab. Bashir, een expert op het gebied van nanopore sensoren, en van der Zande, een expert op het gebied van 2D -materialen, geloofde dat het combineren van hun interessegebieden om een ​​nieuw type nanopore sensor voor te stellen tijdig en belangrijk zou kunnen zijn.

De nieuw samengestelde onderzoeksalliantie begon met het identificeren van barrières voor de realisatie van 3D -biosensoren. Ultradunne 3D-materialen hebben ruwe oppervlakken-sommige met bungelende bindingen die de elektrische prestaties belemmeren en de gevoeligheid voor molecuultranslocatie beperken. De onderzoekers realiseerden zich dat deze beperkingen konden worden overwonnen door 2D -materialen zoals molybdeendisulfide en wolfraamdiselenide te gebruiken die van nature bestaan ​​als monolagen zonder bungelende bindingen.

“Mijn lab is gespecialiseerd in het stapelen van deze monolagen op elkaar om bijna elk elektronisch apparaat te engineerden bij sub-nanometerafmetingen,” zei Van der Zande.

De onderzoekers integreerden een 2D-heterostructuur in het nanopore membraan om een ​​nanometer-dikke diode buiten het vlak te creëren waardoor het molecuul passeert. Dit innovatieve ontwerp stelde hen in staat om tegelijkertijd de veranderingen in elektrische stroom door de diode tijdens DNA-translocatie te meten en vooroordelen buiten het vlak over de diode toe te passen om de snelheid van DNA-translocatie te regelen.

“We hebben deze nieuwe materialen gebruikt om eindelijk een decennia oude droom van de nanopore-gemeenschap te realiseren die voorheen onmogelijk was,” zei van der Zande. “Dit werk vormt een belangrijke stap in de richting van moleculaire controle van basis-per-basis en opent deuren voor meer geavanceerde DNA-sequencing-technologieën.”

Hoewel het nieuwe detectieplatform jaren heeft geduurd om te beseffen, wordt verwacht dat het dividenden zal betalen in de toekomstige precisiegeneeskunde. Het verzamelen van genomische gegevens van miljarden patiënten om op maat gemaakte geneeskunde- en therapieregimes te maken, vereisen snelle, betrouwbare en betaalbare sequentietechnieken, zoals die aangetoond door het Elite Illinois Grainger Engineering Team.

“In de toekomst voorstellen we arrays van miljoenen 2D -diodes met nanoporiën binnen die de sequenties van DNA parallel zouden kunnen uitlezen, waardoor de sequentietijd van twee weken tot slechts een uur verkort,” zei Bashir. Bovendien kunnen de technieken van de onderzoekers de prijs van het tienvoudige prijs verlagen in vergelijking met de huidige methoden.

In de toekomst verwachten de onderzoekers een volgende generatiestudie met afwisselende stapels van P-type en N-type 2D-monolagen om de enkele PN-junctie van de huidige iteratie te verbeteren, die de kwaliteit van controle over DNA-translocatie beperkt. Een drielaagse structuur die een N-type laag tussen p-type lagen sandbichand, zal tegengestelde elektrische velden het DNA kunnen strekken, waardoor de kritieke mijlpaal van DNA-translocatiecontrole van het basis-per-basen wordt bereikt.

Tot die tijd zal het krachtige team van Illinois Grainger -onderzoekers genieten van de vruchten van hun arbeid.

“We zijn aan de grens van 2D -elektronica, die we overbruggen met de grens van 3D Nanopore -detectie,” zei Bashir. “We zijn bij twee grenzen, en deze kruising maakt ons project uniek uitdagend en ongelooflijk de moeite waard.”