Теперь исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне обнаружили, что нанопоры в материале дисульфида молибдена (MoS2) могут упорядочивать ДНК более точно, быстро и недорого, чем что-либо еще доступное.«Одна из больших областей науки — секвенирование генома человека стоимостью менее 1000 долларов,« домашний геном », — сказал Нараяна Алуру, профессор механики и инженерии в Университете штата Айленд, который руководил исследованием. . «Сейчас идет охота за подходящим материалом. Мы использовали MoS2 для решения других задач, и мы подумали, почему бы нам не попробовать его и не посмотреть, как он работает для секвенирования ДНК?»Как оказалось, MoS2 превосходит все другие материалы, используемые для секвенирования нанопор ДНК, даже графен.
Нанопора — это очень крошечное отверстие, просверленное в тонком листе материала. Пора достаточно велика, чтобы сквозь нее могла пройти молекула ДНК. Электрический ток прогоняет ДНК через нанопору, и колебания тока при прохождении ДНК через поры определяют последовательность ДНК, поскольку каждая из четырех букв алфавита ДНК — A, C, G и T — — немного отличаются по форме и размеру.Большинство материалов, используемых для секвенирования ДНК с нанопорами, имеют существенный недостаток: они слишком толстые.
Даже тонкий лист большинства материалов охватывает несколько звеньев цепи ДНК, что делает невозможным точное определение точной последовательности ДНК.
Графен стал популярной альтернативой, поскольку это лист, состоящий из одного слоя атомов углерода, то есть только одно основание за раз проходит через нанопору. К сожалению, у графена есть свой набор проблем, самая большая из которых заключается в том, что к нему прилипает ДНК.
ДНК, взаимодействующая с графеном, создает много шума, который затрудняет чтение тока, как радиостанция, испорченная громким статическим электричеством.MoS2 также представляет собой однослойный лист, достаточно тонкий, чтобы только одна буква ДНК за раз проходила через нанопоры. В ходе исследования исследователи из Иллинойса обнаружили, что ДНК не прилипает к MoS2, а быстро и чисто проходит через поры.«MoS2 является конкурентом графена с точки зрения транзисторов, но мы показали здесь новую функциональность этого материала, показав, что он способен к биосенсорству», — сказал аспирант Амир Барати Фаримани, первый автор статьи.
Самое интересное для исследователей, моделирование дало четыре различных сигнала, соответствующих основаниям в двухцепочечной молекуле ДНК. Другие системы дали в лучшем случае две — A / T и C / G — которые затем требуют обширного вычислительного анализа, чтобы попытаться отличить A от T и C от G.Ключом к успеху сложного моделирования и анализа MoS2 стал суперкомпьютер Blue Waters, расположенный в Национальном центре суперкомпьютерных приложений в Университете И.«Это очень подробные расчеты», — сказал Алуру, который также является частью Института передовых наук и технологий им. Бекмана в США. «Они действительно рассказывают нам физику реальных механизмов и почему MoS2 работает лучше. чем другие материалы.
Теперь у нас есть эти идеи благодаря этой работе, в которой Blue Waters широко использовались ».Теперь исследователи изучают, смогут ли они достичь еще большей производительности, связав MoS2 с другим материалом, чтобы сформировать недорогое, быстрое и точное устройство для секвенирования ДНК.«Конечная цель этого исследования — создать домашнее или персональное устройство для секвенирования ДНК», — сказал Барати Фаримани. «Мы на пути к этому, найдя технологии, которые могут быстро, дешево и точно идентифицировать геном человека.
Наличие карты вашей ДНК может помочь предотвратить или обнаружить заболевания на самых ранних стадиях развития. Если каждый сможет дешево последовательность, так что они могут знать карту своей генетики, они могут быть намного более внимательными к тому, что происходит в их телах ».