Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han simulado un nuevo concepto para secuenciación de genes precisa tirando de una molécula de ADN a través de una pequeña, Agujero químicamente activado en el grafeno, una hoja ultrafina de átomos de carbono, y detecta cambios en la corriente eléctrica.
El estudio del NIST sugiere que el método podría identificar alrededor de 66 mil millones de bases (las unidades más pequeñas de información genética) por segundo con una precisión del 90 por ciento y sin falsos positivos. Si se demuestra experimentalmente, En última instancia, el método NIST podría ser más rápido y económico que la secuenciación de ADN convencional. satisfaciendo una necesidad crítica de aplicaciones como la forense.
Secuenciación convencional, desarrollado en la década de 1970, implica separar, proceso de copiar, etiquetar y reensamblar piezas de ADN para leer la información genética. La nueva propuesta del NIST es un giro en la idea más reciente de "secuenciación de nanoporos" de extraer el ADN a través de un agujero en materiales específicos. originalmente una proteína. Este concepto, iniciado hace 20 años en el NIST, se basa en el paso de partículas cargadas eléctricamente (iones) a través del poro. La idea sigue siendo popular, pero plantea desafíos como ruido eléctrico no deseado, o interferencia, y selectividad inadecuada.
Por el contrario, La nueva propuesta del NIST es crear enlaces químicos temporales y confiar en la capacidad del grafeno para convertir las tensiones mecánicas que rompen esos enlaces en interrupciones medibles en la corriente eléctrica.
"Se trata esencialmente de un pequeño sensor de deformación, "dice el teórico del NIST Alex Smolyanitsky, a quien se le ocurrió la idea y dirigió el proyecto. "No inventamos una tecnología completa. Esbozamos un nuevo principio físico que potencialmente puede ser muy superior a cualquier otra cosa que existe".
El grafeno es popular en las propuestas de secuenciación de nanoporos debido a sus propiedades eléctricas y su estructura de película fina miniaturizada. En el nuevo método NIST, una nanocinta de grafeno (4,5 por 15,5 nanómetros) tiene varias copias de una base unidas al nanoporo (2,5 nm de ancho). El código genético del ADN se construye a partir de cuatro tipos de bases, que se unen en pares como citosina-guanina y timina-adenina.
En simulaciones (ver animación adjunta) de cómo funcionaría el sensor a temperatura ambiente en el agua, la citosina se une al nanoporo para detectar la guanina. Se extrae una molécula de ADN de una sola hebra (descomprimida) a través del poro. Cuando pasa la guanina, Se forman enlaces de hidrógeno con la citosina. A medida que el ADN continúa moviéndose, el grafeno se tira y luego vuelve a su posición cuando los enlaces se rompen.
El estudio del NIST se centró en cómo esta cepa afecta las propiedades electrónicas del grafeno y encontró que los cambios temporales en la corriente eléctrica de hecho indican que una base objetivo acaba de pasar. Para detectar las cuatro bases, cuatro cintas de grafeno, cada uno con una base diferente insertada en el poro, podría apilarse verticalmente para crear un sensor de ADN integrado.
Los investigadores combinaron datos simulados con teoría para estimar niveles de variaciones de señal medibles. La intensidad de la señal estaba en el rango de miliamperios, más fuerte que en los métodos de nanoporos de corriente de iones anteriores. Basado en el rendimiento del 90 por ciento de precisión sin falsos positivos (es decir, los errores se debieron a bases perdidas y no a bases incorrectas), los investigadores sugieren que cuatro mediciones independientes de la misma hebra de ADN producirían una precisión del 99,99 por ciento, según sea necesario para secuenciar el genoma humano.
Los autores del estudio concluyeron que el método propuesto muestra "una promesa significativa para dispositivos de detección de ADN realistas" sin la necesidad de un procesamiento avanzado de datos. microscopios, o condiciones de funcionamiento muy restringidas. Aparte de unir bases al nanoporo, Todos los componentes del sensor han sido demostrados experimentalmente por otros grupos de investigación. El análisis teórico sugiere que los métodos básicos de filtrado electrónico podrían aislar las señales eléctricas útiles. El método propuesto también podría usarse con otras membranas sensibles a la deformación, tales como disulfuro de molibdeno.
Aproximadamente la mitad de las simulaciones fueron realizadas por un coautor de la Universidad de Groningen en los Países Bajos. El resto se realizó en NIST.
