Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han simulado un nuevo concepto para la secuenciación rápida y precisa de genes al extraer una molécula de ADN a través de un pequeño agujero químicamente activado en el grafeno, una lámina ultradelgada de átomos de carbono, ydetectar cambios en la corriente eléctrica.
El estudio 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, el método NIST podría ser más rápido y económico que el convencionalSecuenciación de ADN, que satisface una necesidad crítica de aplicaciones como el análisis forense.
La secuenciación convencional, desarrollada en la década de 1970, implica la separación, copia, etiquetado y reensamblado de piezas de ADN para leer la información genética. La nueva propuesta de NIST es un giro en la idea más reciente de "secuenciación de nanoporos" de extraer el ADN a través de un agujero enmateriales específicos, originalmente una proteína. Este concepto, iniciado por primera vez hace 20 años en NIST, se basa en el paso de partículas cargadas eléctricamente iones a través del poro. La idea sigue siendo popular pero plantea desafíos como el ruido eléctrico no deseado o la interferenciay selectividad inadecuada.
Por el contrario, la nueva propuesta de NIST es crear enlaces químicos temporales y confiar en la capacidad del grafeno para convertir las tensiones mecánicas de romper esos enlaces en puntos medibles en la corriente eléctrica.
"Esto es esencialmente un pequeño sensor de deformación", dice el teórico del NIST Alex Smolyanitsky, quien tuvo la idea y dirigió el proyecto. "No inventamos una tecnología completa. Esbozamos un nuevo principio físico que puede ser muy superiora cualquier otra cosa ".
El grafeno es popular en las propuestas de secuenciación de nanoporos debido a sus propiedades eléctricas y estructura de película delgada miniaturizada. En el nuevo método NIST, un nanofibra de grafeno 4.5 por 15.5 nanómetros tiene varias copias de una base unida al nanoporo 2.5 nmde 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 vea la animación adjunta de cómo funcionaría el sensor a temperatura ambiente en el agua, la citosina se une al nanoporo para detectar guanina. Una molécula de ADN monocatenario sin comprimir se atraviesa el poro. Cuando la guanina pasa, se forman enlaces de hidrógeno con la citosina. A medida que el ADN continúa moviéndose, se tira del grafeno y luego se desliza de nuevo a su posición cuando los enlaces se rompen.
El estudio NIST se centró en cómo esta cepa afecta las propiedades electrónicas del grafeno y descubrió 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 una con una base diferente insertada enel poro podría apilarse verticalmente para crear un sensor de ADN integrado.
Los investigadores combinaron datos simulados con la 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 anteriores de nanoporos de corriente iónica. Basado en el rendimiento del 90 por ciento de precisión sin ningún falso positivo es decir, los errores se debieron a las bases omitidas en lugar de a las incorrectas, los investigadores sugieren que cuatro mediciones independientes de la misma cadena de ADN producirían una precisión del 99,99 por ciento, como se requiere 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 procesamiento de datos avanzado, microscopios o condiciones de operación altamente restringidas. Además de unir bases al nanoporo, se han demostrado todos los componentes del sensorexperimentalmente 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 tensión, como el disulfuro de molibdeno.
Alrededor de la mitad de las simulaciones fueron realizadas por un coautor de la Universidad de Groningen en los Países Bajos. El resto se realizó en el NIST.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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