Прогресс в нанотехнологическом методе секвенирования генов

Исследователи из Университета Пенсильвании использовали твердотельные нанопоры для различения одноцепочечных молекул ДНК, содержащих последовательности одного повторяющегося основания.

Метод, известный как измерения транслокации ДНК, заключается в протягивании нитей ДНК в солевом растворе через отверстие в мембране с помощью приложенного электрического поля. Когда каждое основание проходит через пору, оно блокирует часть ионов, что регистрируется как падение электрического тока. Поскольку размеры оснований (A, C, T, G) различаются, эти данные теоретически позволяют определить их последовательность.

Твердотельные нанопорные устройства, изготовленные из тонких твердотельных мембран (например, нитрида кремния), обладают преимуществами перед биологическими аналогами (белковыми порами в липидных бислоях) — они более долговечны и легко интегрируются с электроникой. Однако достижение необходимой чувствительности к разным основаниям было сложной задачей.

Ключевые требования для эффективного секвенирования:

• Диаметр поры должен приближаться к диаметру ДНК (~2 нм).
• Толщина мембраны должна быть близка к расстоянию между основаниями (~0.3 нм).

В данном эксперименте команда под руководством Марии Дрндич использовала мембраны из нитрида кремния толщиной около 5 нм. Благодаря конической форме пор их эффективная толщина в самом узком месте составляет примерно треть от толщины мембраны.

Исследователи протестировали поры диаметром 1–2 нм на гомополимерах ДНК (последовательностях с повторением одного основания). Им удалось получить четко различимые сигналы для трех из четырех оснований: аденина (A), цитозина (C) и тимина (T). Гуанин (G) не тестировался, так как гомополимеры на его основе склонны к образованию вторичных структур, что затрудняет их прохождение через поры.

«Мы показываем, что эти маленькие поры чувствительны к содержанию оснований, — сказала Дрндич. — И мы увидели эти результаты в порах диаметром от 1 до 2 нанометров, что обнадеживает, поскольку предполагает, что некоторая вариабельность при изготовлении может быть допустима».

Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.