A nova plataforma de detecção de nanoporos abre caminho para tecnologias de sequenciamento de DNA sem estado sólido e sem rótulo

Uma parceria pioneira entre pesquisadores do Grainger School of Engineering da Universidade de Illinois Urbana-Champaign produziu uma nova plataforma de detecção de nanoporos para detecção de biomolécula única. Suas descobertas, publicado no Anais da Academia Nacional de Ciênciaspavimentando o caminho para tecnologias de sequenciamento de DNA sem rótulo e estado sólido com implicações para a medicina de precisão.

Os sensores de nanoporos são dispositivos pequenos usados ​​para detectar e analisar moléculas individuais, medindo alterações iônicas à medida que as moléculas passam por aberturas em escala de nanômetros. Esses sensores são classificados em dois tipos: um dependendo Materiais Biológicose o outro no inorgânico Materiais de estado sólido. O sequenciamento de DNA usando nanoporos biológicos está agora disponível comercialmente, mas os engenheiros de Illinois Grainger queriam realizar essa tecnologia usando materiais de estado sólido.

“Os nanoporos de estado sólido são compatíveis com os processos de fabricação em escala de wafer e, portanto, oferecem uma vantagem significativa sobre os nanoporos biológicos para sequenciamento massivamente paralelo e de baixo custo”, disse Sihan Chen, pesquisador de pós-doutorado de Illinois Grainger e principal autor do artigo.

O principal obstáculo à realização de sequenciação de nanoporos de estado sólido é criar um sensor pequeno o suficiente para alcançar a resolução base a base, à medida que moléculas únicas passam pelo poro e para ler eletricamente a translocação das moléculas.

No ultimate dos anos 2000, a IBM propôs a idéia de transistores de DNA, conceituados com uma estrutura de sanduíche de metallic dielétrico e armadilhas eletrostáticas para permitir simultaneamente o controle e a detecção do tipo catracas da translocação de DNA. No entanto, essa estrutura nunca foi realizada experimentalmente devido aos desafios significativos envolvidos na fabricação de filmes de metallic ultrafinos encapsulados por camadas dielétricas usando materiais 3D.

“Houve uma pausa sobre a idéia de transistores de DNA de estado sólido por uma década ou mais até revisitarmos essa idéia usando materiais 2D”, disse Chen.

Carretivamente, nasceu uma colaboração entre Arend Van der Zande, professor de ciência e engenharia de ciência e engenharia mecânica e materiais, e Rashid Bashir, professor de bioengenharia, reitor do Grainger School of Engineering e um departamento de pesquisadores da Holonyak Micro & Nanotechnology.

Ambos também são membros do Laboratório de Pesquisa de Materiais. Bashir, especialista no campo dos sensores de nanoporos, e van der Zande, especialista no campo dos materiais 2D, acreditavam que a combinação de suas áreas de interesse para propor um novo tipo de sensor de nanoporos poderia ser oportuno e importante.

A recém -montada Aliança de Pesquisa começou identificando barreiras à realização de biossensores 3D. Os materiais 3D ultrafinos têm superfícies acidentadas-algumas com ligações pendentes que inibem o desempenho elétrico e limitam a sensibilidade à translocação de moléculas. Os pesquisadores perceberam que essas limitações poderiam ser superadas usando materiais 2D, como dissulfeto de molibdênio e diselenida de tungstênio, que naturalmente existem como monocamadas sem ligações pendentes.

“Meu laboratório é especializado em empilhar essas monocamadas umas sobre as outras para projetar praticamente qualquer dispositivo eletrônico em tamanhos de sub-nanômetros”, disse van der Zande.

Os pesquisadores integraram uma heteroestrutura 2D na membrana de nanoporos para criar um diodo fora do plano de nanômetros e espessura pelo qual a molécula passa. Esse design inovador permitiu que eles medissem simultaneamente as alterações na corrente elétrica através do diodo durante a translocação do DNA e apliquem vieses fora do plano através do diodo para controlar a velocidade da translocação do DNA.

“Usamos esses novos materiais para finalmente realizar um sonho de décadas com a comunidade de nanoporos que antes period impossível”, disse Van der Zande. “Este trabalho representa um passo importante em direção ao controle molecular base a base e abre portas para tecnologias de sequenciamento de DNA mais avançadas”.

Embora a nova plataforma de detecção tenha levado anos para realizar, espera -se que pague dividendos em futuros medicamentos de precisão. A coleta de dados genômicos de bilhões de pacientes para criar regimes de medicina e terapia personalizados exigirá técnicas de sequenciamento rápido, confiável e acessível, como as demonstradas pela equipe de engenharia de Elite Illinois Grainger.

“No futuro, imaginamos matrizes de milhões de diodos 2D com nanoporos dentro que poderiam ler as sequências de DNA em paralelo, reduzindo o tempo de sequenciamento de duas semanas para apenas uma hora”, disse Bashir. Além disso, as técnicas dos pesquisadores podem reduzir o preço do sequenciamento dez vezes em comparação com os métodos atuais.

No futuro, os pesquisadores antecipam um estudo da próxima geração, utilizando pilhas alternadas de monocamadas 2D do tipo P e N para melhorar a junção PN única da iteração atual, o que limita a qualidade do controle sobre a translocação de DNA. Uma estrutura de três camadas engrenizando um N-Sort A camada entre as camadas do tipo P permitirá que os campos elétricos opostos estiquem o DNA, alcançando o marco crítico do controle de translocação de DNA base a base.

Até então, a equipe poderosa dos pesquisadores de Illinois Grainger apreciará os frutos de seu trabalho.

“Estamos na fronteira da 2D Electronics, que estamos preenchendo com a fronteira de 3D nanoporo Sentindo “, disse Bashir.” Estamos em duas fronteiras, e esse cruzamento faz com que nosso projeto seja exclusivo e incrivelmente gratificante “.