Исследовательское партнёрство между учёными из Инженерного колледжа Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне привело к созданию инновационной платформы для нанопорных датчиков, предназначенных для обнаружения отдельных биомолекул. Их выводы, [опубликованные](https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2422135122) в Proceedings of the National Academy of Sciences, открывают путь к твердотельным технологиям секвенирования ДНК без использования меток, что имеет важное значение для прецизионной медицины.
Нанопорные датчики
Нанопорные датчики — это крошечные устройства, используемые для обнаружения и анализа отдельных молекул путём измерения ионных изменений, когда молекулы проходят через отверстия нанометрового размера. Эти датчики подразделяются на два типа: одни основаны на [биологических материалах](https://phys.org/tags/biological+materials/), а другие — на неорганических [твёрдотельных материалах](https://phys.org/tags/solid-state+materials/).
Секвенирование ДНК с использованием биологических нанопор в настоящее время доступно коммерчески, но инженеры из Иллинойского колледжа Грейнджера хотели реализовать эту технологию с использованием твердотельных материалов.
Твёрдотельные нанопоры
Твёрдотельные нанопоры совместимы с производственными процессами в масштабе пластин и поэтому имеют значительное преимущество перед биологическими нанопорами для массово-параллельного и недорогого секвенирования.
«Твёрдотельные нанопоры совместимы с производственными процессами в масштабе пластин и поэтому предлагают значительное преимущество перед биологическими нанопорами для массово-параллельного и недорогого секвенирования», — сказал Сихан Чен, постдокторант колледжа Грейнджера в Иллинойсе и ведущий автор статьи.
Основным препятствием для реализации твердотельного секвенирования с использованием нанопор является создание сенсора, достаточно маленького, чтобы достичь разрешения по нуклеотидам при прохождении отдельных молекул через пору и для электрического считывания транслокации молекул.
ДНК-транзисторы
В конце 2000-х годов IBM предложила идею ДНК-транзисторов, концептуализированных со структурой диэлектрического металлического сэндвича и электростатическими ловушками, которые одновременно позволяли бы контролировать перемещение ДНК и обнаруживать его с помощью механизма, похожего на храповик. Однако эта структура так и не была реализована экспериментально из-за значительных трудностей, связанных с изготовлением ультратонких металлических плёнок, инкапсулированных диэлектрическими слоями с использованием трёхмерных материалов.
«Идея твердотельных ДНК-транзисторов была приостановлена на десятилетие или около того, пока мы не вернулись к этой идее, используя двумерные материалы», — сказал Чен.
Сотрудничество
Сотрудничество возникло между Арендом ван дер Занде, профессором механических наук и инженерии и материаловедения и инженерии, и Рашидом Баширом, профессором биоинженерии, деканом Инженерного колледжа Грейнджера и аффилированным преподавателем-исследователем в лаборатории микро- и нанотехнологий Холоняка и на кафедре материаловедения и инженерии.
Оба они также являются членами Лаборатории исследований материалов. Башир, эксперт в области нанопорных датчиков, и ван дер Занде, эксперт в области двумерных материалов, считали, что объединение их областей интересов для предложения нового типа нанопорного датчика может быть своевременным и важным.
Инновационный дизайн
Исследователи интегрировали двумерную гетероструктуру в мембрану нанопоры, чтобы создать нанометровый диод вне плоскости, через который проходит молекула. Этот [инновационный дизайн](https://phys.org/tags/innovative+design/) позволил им одновременно измерять изменения электрического тока через диод во время транслокации ДНК и применять внеплоскостные смещения через диод для контроля скорости транслокации ДНК.
«Мы использовали эти новые материалы, чтобы наконец воплотить в жизнь мечту сообщества нанопор, которая была ранее невозможна», — сказал ван дер Занде. «Эта работа представляет собой важный шаг на пути к молекулярному контролю по нуклеотидам и открывает двери для более совершенных технологий секвенирования ДНК».
Хотя для реализации новой сенсорной платформы потребовались годы, ожидается, что она принесёт дивиденды в будущей прецизионной медицине. Сбор геномных данных от миллиардов пациентов для создания индивидуальной медицины и схем терапии потребует быстрых, надёжных и доступных методов секвенирования, таких как те, которые продемонстрировала элитная инженерная команда Иллинойского колледжа Грейнджера.
«В будущем мы предполагаем создание массивов из миллионов двумерных диодов с нанопорами внутри, которые могли бы считывать последовательности ДНК параллельно, сокращая время секвенирования с двух недель до одного часа», — сказал Башир. Кроме того, методы исследователей могут снизить цену секвенирования в десять раз по сравнению с текущими методами.
В дальнейшем исследователи планируют провести исследование следующего поколения с использованием чередующихся слоёв p-типа и n-типа двумерных монослоёв, чтобы улучшить текущий вариант с одним p-n переходом, который ограничивает качество контроля над транслокацией ДНК. Трёхслойная структура, включающая [n-тип](https://phys.org/tags/n-type/) слой между слоями p-типа, позволит создавать противоположные электрические поля для растяжения ДНК, достигая критического рубежа контроля транслокации ДНК по нуклеотидам.