Las instrucciones para construir todas las proteínas del cuerpo están contenidas en el ADN de una persona, una serie de productos químicos que, si está desenrollado y ensartado de punta a punta, formaría una oración de 3 mil millones de letras. La frase de cada persona es única, por lo que aprender a leer secuencias de genes de la manera más rápida y económica posible podría allanar el camino para innumerables aplicaciones médicas personalizadas.

Investigadores de la Universidad de Pensilvania ahora han avanzado hacia la realización de una nueva técnica de secuenciación basada en enhebrar esa cuerda a través de un pequeño orificio y usar un sensor cercano para leer cada letra a medida que pasa.

Su sensor de ADN está basado en grafeno, una red de carbono atómicamente delgada. Las versiones anteriores de la técnica solo hacían uso de la insuperable delgadez del grafeno, pero la investigación del equipo de Penn muestra cómo las propiedades eléctricas únicas del material ganador del Premio Nobel pueden emplearse para hacer dispositivos de secuenciación más rápidos y sensibles.

Críticamente, El último estudio del equipo muestra cómo perforar estos nanoporos sin arruinar la sensibilidad eléctrica del grafeno. un riesgo que representa simplemente mirar el material a través de un microscopio electrónico.

El equipo incluye a Marija Drndić, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias, y miembros en su laboratorio, incluyendo al estudiante graduado Matthew Puster y los investigadores postdoctorales Julio Rodríguez-Manzo y Adrian Balan.

Su investigación fue publicada en la revista ACS Nano .

El grupo de Drndić ha demostrado previamente una serie de avances hacia la lectura de genes pasándolos a través de un pequeño agujero, o nanoporo. Su estudio de 2010 implicó perforar un agujero en una hoja de grafeno, luego ponerlo en un baño iónico junto con las hebras de ADN que se van a detectar. Porque cada una de las cuatro bases, las letras del alfabeto del ADN, tener un tamaño diferente, Se esperaría que un número diferente de iones pasara junto con cada base a medida que la hebra pasa a través del poro. Luego, los investigadores podrían interpretar la secuencia de las bases del ADN midiendo la señal eléctrica de los iones. Sin embargo, esas señales actuales son débiles, limitando la velocidad a la que se puede secuenciar el ADN.

Muchos grupos de investigación ahora están explorando múltiples formas de mejorar la sensibilidad y la velocidad de la técnica, incluyendo nuevos materiales y nuevas formas de formar nanoporos en ellos. El grupo de Drndić ha experimentado con diferentes membranas, además de agregar componentes electrónicos mejorados para medir a velocidades más rápidas, pero su último estudio representa una forma completamente nueva de generar una señal eléctrica única para cada base.

"Nuestro último intento de mejorar la técnica es una desviación de nuestro trabajo anterior, sin embargo, ", Dijo Drndić." Ahora estamos tratando de medir la corriente directamente del grafeno, mientras que antes medíamos la corriente iónica en la solución a medida que atraviesa el poro ".

El equipo de Penn quería ver si los nanoporos en el grafeno, el material más conductor conocido, sería capaz de detectar la diferencia entre bases directamente. En lugar de sus diferentes tamaños, este método se basaría en que las bases alteren la carga eléctrica en el material cercano. En este caso, el material sería un delgado, cinta de grafeno en forma de alambre. A medida que cada base atraviesa el poro, modularía la corriente eléctrica que fluye a través de la cinta. Los cambios en la corriente luego se compararían con sus bases correspondientes, permitiendo a los investigadores descifrar la secuencia.

"La ventaja, "Balan dijo, "sobre el método iónico es que la corriente en la cinta de grafeno es mil veces mayor. Eso significa que podemos medir mil veces más rápido. No necesitaríamos ralentizar el ADN para hacer una medición precisa de cada base".

Después de fabricar las cintas de grafeno en una membrana de nitruro de silicio y colocar los contactos metálicos, los investigadores los conectaron para medir su resistencia y luego los pusieron en un microscopio electrónico de transmisión, o TEM. Este tipo de microscopio utiliza un haz amplio de electrones para producir imágenes con resolución a nanoescala midiendo los electrones a medida que pasan a través de la muestra. pero también se puede utilizar como taladro enfocando el rayo.

Los investigadores habían utilizado un TEM para perforar nanoporos en láminas de grafeno para sus experimentos de secuenciación anteriores, pero esta vez se encontraron con un desafío inesperado. Cuando ponen sus cintas en el TEM, encontraron que las resistencias aumentaron significativamente, limitación de la sensibilidad.

"Con solo mirar las cintas de grafeno con el TEM se degradaron, ", Dijo Drndić." El haz ancho que usamos para la obtención de imágenes los estaba dañando al introducir defectos en el patrón de los átomos de carbono. Ya casi no era grafeno ".

"No importaba en nuestros experimentos anteriores, "Puster dijo, "ya que solo estábamos usando el grafeno por su delgadez y propiedades mecánicas. Estábamos creando estos defectos y aumentando la resistencia, pero no nos dimos cuenta porque no estábamos midiendo las propiedades eléctricas del grafeno ".

Pero con la clave de resistencia ultrabaja del grafeno para su dispositivo de secuenciación propuesto, el equipo se enfrentó a un dilema; necesitaban hacer un agujero en un lugar preciso en una cinta 10, 000 veces más delgado que un cabello humano con los ojos vendados de manera efectiva.

"Este fue un verdadero obstáculo, ", Dijo Drndić." ¿Cómo íbamos a perforar estos poros cuando con solo mirar la cinta se mata el dispositivo? "

La solución del equipo fue utilizar un modo de imagen diferente en el TEM, que produjo un escaneo aproximado en lugar de una imagen de alta definición.

"En lugar de abrir la válvula del haz e inundar la cinta con electrones, Rodríguez-Manzo dijo, "utilizamos un modo de escaneo que solo toma una instantánea. Al tomar la imagen más borrosa que aún nos dice dónde está el borde de la cinta, limitamos la cantidad de electrones que lo golpean ".

"La imagen que obtenemos está muy pixelada, ", Dijo Puster." Pero luego solo tenemos que elegir el píxel donde queremos poner el poro o la muesca ".

El equipo midió simultáneamente las resistencias de las cintas mientras tomaban estas instantáneas, mostrando claramente que no sufrieron daños durante todo el proceso. También simularon la presencia de una hebra de ADN utilizando un campo eléctrico para probar que el dispositivo sería lo suficientemente sensible para realizar experimentos de ADN.

"Creo que esto puede resolver problemas para muchos nanosensores diferentes, ", Dijo Drndić." Ya sea que estén hechos de grafeno, nanocables, nanotubos de carbono u otras nanoestructuras, esto ayudará a mantenerlos en funcionamiento mientras se encuentre en un TEM. El truco principal aquí es perforar el nanoporo con la menor cantidad de imágenes posible, simplemente echando un vistazo por debajo de la venda de los ojos ".