Новый нанопоровый сенсорный платформа открывает путь к твердотельным технологиям секвенирования ДНК без меток
Исследователи из The Grainger College of Engineering в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне создали новую нанопоровую сенсорную платформу для детекции единичных биомолекул. Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, прокладывают путь к твердотельным технологиям секвенирования ДНК без меток, что важно для прецизионной медицины.
Нанопоровые сенсоры — это крошечные устройства для анализа отдельных молекул по ионным изменениям при их прохождении через нанометровые отверстия. Они делятся на два типа: на основе биологических материалов и на основе неорганических твердотельных материалов. Секвенирование ДНК с использованием биологических нанопор уже коммерчески доступно, но инженеры стремились реализовать эту технологию на твердотельных материалах.
«Твердотельные нанопоры совместимы с процессами масштабированного производства на пластинах и поэтому имеют значительное преимущество перед биологическими нанопорами для массово-параллельного, недорогого секвенирования», — сказал Сихань Чен, ведущий автор статьи.
Главным препятствием было создание сенсора, достаточно маленького для достижения поэтапного (нуклеотид за нуклеотидом) разрешения при прохождении молекул через пору и их электрического считывания.
В конце 2000-х IBM предложила концепцию ДНК-транзисторов со структурой «сэндвич» из диэлектрика и металла и электростатическими ловушками для контроля и сенсинга транслокации ДНК. Однако эта структура не была реализована из-за сложностей в изготовлении ультратонких металлических плёнок, инкапсулированных диэлектрическими слоями, с использованием 3D материалов.
«Идея твердотельных ДНК-транзисторов была заморожена на десятилетие, пока мы не вернулись к ней, используя 2D материалы», — отметил Чен.
Случайно возникло сотрудничество между профессором Арендом ван дер Занде, экспертом по 2D материалам, и профессором Рашидом Баширом, экспертом по нанопоровым сенсорам. Они объединили свои области для создания нового типа сенсора.
Исследователи выявили барьеры для реализации 3D биосенсоров: шероховатые поверхности ультратонких 3D материалов с обрывами связей, ухудшающими электрические характеристики. Эти ограничения можно преодолеть, используя 2D материалы, такие как дисульфид молибдена (MoS2) и диселенид вольфрама (WSe2), которые естественным образом существуют в виде монослоев без обрывов связей.
«Моя лаборатория специализируется на сборке этих монослоев друг на друге для создания практически любых электронных устройств субнанометрового размера», — сказал ван дер Занде.
Учёные интегрировали 2D гетероструктуру в нанопоровую мембрану, создав нанометровой толщины внеплоскостной диод, через который проходит молекула. Эта инновационная конструкция позволила одновременно измерять изменения электрического тока через диод во время транслокации ДНК и прикладывать внеплоскостные смещения для контроля скорости её движения.
«Мы использовали эти новые материалы, чтобы наконец реализовать десятилетнюю мечту нанопорового сообщества. Эта работа представляет важный шаг к поэтапному молекулярному контролю и открывает двери для более совершенных технологий секвенирования ДНК», — заявил ван дер Занде.
Хотя на реализацию новой сенсорной платформы ушли годы, она обещает принести дивиденды в будущей прецизионной медицине. Сбор геномных данных миллиардов пациентов для создания персонализированных методов лечения потребует быстрых, надёжных и доступных методов секвенирования.
«В будущем мы представляем себе массивы из миллионов 2D диодов с нанопорами внутри, которые могли бы параллельно считывать последовательности ДНК, сокращая время секвенирования с двух недель до одного часа», — сказал Башир.
Кроме того, техника исследователей может снизить стоимость секвенирования в десять раз по сравнению с текущими методами.
В дальнейшем учёные планируют использовать чередующиеся стопки p-типа и n-типа 2D монослоев, чтобы улучшить текущую версию с одним p-n переходом, который ограничивает качество контроля над транслокацией ДНК. Трёхслойная структура (n-слой между p-слоями) позволит создать противоположные электрические поля для растяжения ДНК, достигнув ключевой вехи — контроля транслокации ДНК нуклеотид за нуклеотидом.
«Мы находимся на переднем крае 2D электроники, которую мы соединяем с передним краем 3D нанопорового сенсинга. Мы на двух рубежах, и это пересечение делает наш проект уникально сложным и невероятно полезным», — заключил Башир.