Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y colaboradores han propuesto un diseño para el primer secuenciador de ADN basado en un nanosensor electrónico que puede detectar pequeños movimientos tan pequeños como un solo átomo.

El dispositivo propuesto, un tipo de condensador, que almacena carga eléctrica, es una pequeña cinta de disulfuro de molibdeno suspendida sobre un electrodo metálico y sumergida en agua. La cinta mide 15,5 nanómetros (nm, mil millonésimas de metro) de largo y 4,5 nm de ancho. ADN monocatenario, que contiene una cadena de bases (fragmentos de código genético), se pasa a través de un orificio de 2,5 nm de ancho en la cinta delgada. La cinta se flexiona solo cuando una base de ADN se empareja y luego se separa de una base complementaria fijada al agujero. El movimiento de la membrana se detecta como una señal eléctrica.

Como se describe en un nuevo artículo, El equipo del NIST realizó simulaciones numéricas y estimaciones teóricas para mostrar que la membrana tendría una precisión del 79 al 86 por ciento en la identificación de bases de ADN en una sola medición a velocidades de hasta aproximadamente 70 millones de bases por segundo. Los circuitos integrados detectarían y medirían señales eléctricas e identificarían bases. Los resultados sugieren que un dispositivo de este tipo podría ser un secuenciador de ADN preciso y rentable, según el papel.

Secuenciación convencional, desarrollado en la década de 1970, implica separar, proceso de copiar, etiquetar y reensamblar piezas de ADN para leer la información genética. Los métodos más nuevos incluyen la secuenciación automatizada de muchos fragmentos de ADN a la vez (aún costoso) y conceptos novedosos de "secuenciación de nanoporos". Por ejemplo, el mismo grupo del NIST demostró recientemente la idea de secuenciar el ADN pasándolo a través de un nanoporo de grafeno, y medir cómo responden las propiedades electrónicas del grafeno a la tensión.

La última propuesta del NIST se basa en una fina película de disulfuro de molibdeno, un material en capas que conduce la electricidad y se utiliza a menudo como lubricante. Entre otras ventajas, este material no se adhiere al ADN, que puede ser un problema con el grafeno. El equipo del NIST sugiere que el método podría funcionar incluso sin un nanoporo, un diseño más simple, al pasar el ADN a través del borde de la membrana.

"Este enfoque resuelve potencialmente el problema de que el ADN se adhiera al grafeno si se inserta incorrectamente, porque este enfoque no utiliza grafeno, período, "El teórico y autor principal del NIST, Alex Smolyanitsky, dijo." Otra diferencia importante es que, en lugar de depender de las propiedades del grafeno o de cualquier material en particular utilizado, leemos los movimientos eléctricamente de una manera más fácil formando un condensador. Esto hace que cualquier membrana conductora de electricidad sea adecuada para la aplicación ".

El experto en nanomateriales Boris Yakobson de Rice University, un coautor del artículo, sugirió la idea del condensador. El soporte informático fue proporcionado por la Universidad de Groningen en los Países Bajos.

El ADN tiene cuatro bases. Para las simulaciones, citosina (C), que naturalmente se empareja con guanina (G), se adhiere al interior del poro. Cuando un fragmento de ADN atraviesa el poro, cualquier G en la hebra se adhiere temporalmente a la C incrustada, tirando de la nanocinta y señalando el electrodo. La secuencia de ADN se determina midiendo cómo y cuándo las señales eléctricas varían con el tiempo. Para detectar las cuatro bases, cuatro nanocintas, cada uno con una base diferente unida al poro, podría apilarse verticalmente para crear un sensor de ADN integrado.

La cinta de disulfuro de molibdeno es lo suficientemente flexible como para deformarse de manera mensurable en respuesta a las fuerzas necesarias para romper un par de ADN. pero lo suficientemente rígido para tener menos en curso, movimiento sin sentido que el grafeno, reduciendo potencialmente el ruido no deseado en las señales de secuenciación. La desviación de la cinta es extremadamente pequeña, del orden de un angstrom, el tamaño de un átomo de hidrógeno. Su fuerza de tracción es del orden de 50 piconewtons, o billonésimas de newton, suficiente para romper los delicados enlaces químicos entre las bases del ADN.

Los investigadores estimaron cómo funcionaría el dispositivo en un circuito integrado y encontraron que las corrientes máximas a través del condensador eran medibles (50 a 70 picoamperios). incluso para las pequeñas nanocintas estudiadas. Se espera que los picos actuales sean aún mayores en los sistemas físicos. El tamaño del dispositivo podría modificarse para que sea aún más fácil medir las señales de secuenciación.

Los autores del NIST esperan construir una versión física del dispositivo en el futuro. Para aplicaciones prácticas, la tecnología de microfluidos de secuenciación de ADN del tamaño de un chip podría combinarse con la electrónica en un solo dispositivo lo suficientemente pequeño como para ser portátil.