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Graphen könnte die DNA-Sequenzierung verbessern
Schichten aus Graphen, die nur so dick sind wie ein Atom, könnten dazu beitragen, die Sequenzierung menschlicher DNA schneller und billiger zu machen. Forscher der Harvard University und des MIT haben gezeigt, dass Graphenschichten eine große Verbesserung gegenüber Membranen darstellen könnten, die derzeit für die Nanoporen-Sequenzierung verwendet werden – eine Technik, die verspricht, die Sequenzierung langer DNA-Stränge zu beschleunigen und zu vereinfachen.
Die heutigen Sequenzierungstechniken beinhalten das Zerhacken von DNA, das Anfertigen vieler Kopien der Stücke und das Lesen von daran gebundenen fluoreszierenden Molekülen. Dieser Ansatz dauert Tage und kostet Zehntausende von Dollar. Im Gegensatz dazu könnte die Nanoporen-Sequenzierung theoretisch ein gesamtes menschliches Genom in wenigen Stunden analysieren.
Bei der Nanoporen-Sequenzierung wird ein DNA-Strang durch ein winziges Loch in einer Membran gezogen, die in einer Salzlösung suspendiert ist, an die eine Spannung angelegt wird. Ionen, die sich von einer Seite der Membran zur anderen bewegen, erzeugen einen elektrischen Strom. Da jede der vier verschiedenen DNA-Basen die Pore passiert, nimmt die Stromstärke unterschiedlich stark ab, was eine schnelle Sequenzierung der Basen ermöglicht.
Die derzeit für die DNA-Sequenzierung verwendeten Nanoporen werden typischerweise aus bakteriellen Proteinen hergestellt oder in Siliziumnitrid-Membranen geätzt. Solche Membranen sind 20 bis 30 Nanometer dick. Da aber der Abstand zwischen zwei DNA-Basen 0,5 Nanometer beträgt, könnten 40 bis 60 Basen gleichzeitig in der Pore stecken bleiben.
Eine dünnere Membran wie Graphen könnte eine genauere Basenidentifikation ermöglichen. Eine einzelne Graphenschicht ist nur einen Nanometer dick. Es ist die dünnste Membran, die jemals für dieses Problem verwendet wurde, sagt Jene Golovchenko , ein Physikprofessor in Harvard, der die neue Arbeit leitete, veröffentlicht in Natur in dieser Woche.
Die Forscher stellen ihre Membran her, indem sie eine Graphen-Flake über einer 200 Nanometer breiten Öffnung in der Mitte einer Siliziumnitrid-Oberfläche platzieren. Dann bohren sie mit einem Elektronenstrahl einige wenige Nanometer breite Poren in das Graphen. Die Membran wird schließlich in eine Salzlösung getaucht, die mit Silberelektroden in Kontakt steht. Die Forscher beobachteten Einbrüche im Strom, wenn ein DNA-Strang durch die Pore ging, und zeigten, dass die Methode schließlich zur Identifizierung von DNA-Basen verwendet werden könnte.
Zwei andere Forschungsgruppen haben kürzlich ähnliche Leistungen gezeigt: eins Gruppe am Kavli Institute of Nanoscience und der andere an der University of Pennsylvania. Diese Fortschritte wurden beide in der Zeitschrift veröffentlicht Nano-Buchstaben im Juli.
Die Identifizierung einzelner DNA-Basen beim Durchgang durch die Pore wird jedoch viel mehr Arbeit erfordern. Jede der vier verschiedenen DNA-Basen sollte den durch die Pore fließenden Strom um einen anderen Betrag blockieren. Jedes Gerät sollte in der Lage sein, diese unterschiedlichen Mengen zu unterscheiden. Dies bedeutet jedoch, die Geschwindigkeit, mit der die DNA durch die Pore fliegt, genau zu kontrollieren. Eine solche Kontrolle ist die größte Hürde, um die Nanoporen-Sequenzierung praktikabel zu machen.
Im Natur Papier passiert jedes DNA-Molekül, das Tausende von Basen enthält, in Hunderten von Mikrosekunden (etwa vier Nanosekunden pro Base) durch die Pore. Um eine einzelne Base einzeln zu lesen, müsste der Strang mehr als 1.000 Mal länger in der Pore sein, sagt John Kasianowicz , einem Biophysiker am National Institute of Standards and Technology, der die Nanoporen-Sequenzierung erfunden hat. Kasianowicz arbeitet mit natürlichen Membranen und Poren aus bakteriellen Proteinen. Diese können Moleküle für mehrere zehn Millisekunden halten, sind aber weniger stabil als Siliziumnitrid und Graphen.
Sie haben die Nanoporen-Technologie auf die nächste Stufe gehoben, sagt er über die jüngsten Bemühungen um Graphen. Festkörper-Nanoporen herzustellen war eine großartige Idee, und sie mit Graphen zu behandeln ist ein großartiger erster Schritt. Aber er fügt hinzu: Um sequenzieren zu können, muss man in der Lage sein, den DNA-Fluss zu kontrollieren und zu verlangsamen.