NIST simula secuenciación de ADN rápida y precisa a través de nanopore de grafeno

Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST)

IMAGE: Este es el concepto del NIST para la secuenciación del ADN a través de un nanopore de grafeno.

Crédito: Smolyanitsky / NIST

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) han simulado un nuevo concepto para la secuenciación de genes rápida y precisa tirando de una molécula de ADN a través de un diminuto agujero químicamente activado en grafeno - una capa ultrafina de átomos de carbono - En corriente eléctrica.

El estudio NIST sugiere que el método podría identificar alrededor de 66 millones de bases - las unidades más pequeñas de información genética - por segundo, con un 90 por ciento de precisión y sin falsos positivos. Si se demuestra experimentalmente, el método NIST podría ser en última instancia más rápido y más barato que la secuenciación convencional de ADN, satisfaciendo una necesidad crítica de aplicaciones como forense.

La secuenciación convencional, desarrollada en los años setenta, consiste en separar, copiar, etiquetar y reensamblar fragmentos de ADN para leer la información genética. La nueva propuesta del NIST es un giro en la más reciente "nanopore secuencia" idea de tirar de ADN a través de un agujero en materiales específicos, originalmente una proteína. Este concepto - pionero 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 tales como ruido eléctrico no deseado, o interferencia, y 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 blips mensurables en corriente eléctrica.

"Este es esencialmente un pequeño sensor de deformación", dice el teórico del NIST, Alex Smolyanitsky, quien ideó la idea y dirigió el proyecto. "No inventamos una tecnología completa. Hemos esbozado un nuevo principio físico que potencialmente puede ser muy superior a cualquier otra cosa.

Ananimation está disponible.

El grafeno es muy popular en las propuestas de secuenciación en nanopore debido a sus propiedades eléctricas y su estructura miniaturizada de película delgada. En el nuevo método NIST, un grafeno nanoribbon (4,5 por 15,5 nanómetros) tiene varias copias de una base unida al nanopore (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 la citosina-guanina y la timina-adenina.

En las simulaciones (ver animación acompañante) de cómo el sensor se realizaría a temperatura ambiente en agua, la citosina se une al nanopore para detectar guanina. Una molécula de ADN de una sola hebra (descomprimida) es atraída a través del poro. Cuando la guanina pasa, los enlaces de hidrógeno se forman con la citosina. A medida que el ADN continúa moviéndose, el grafeno es arrancado y luego se desliza hacia atrás en 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 de destino ha pasado justo por. Para detectar las cuatro bases, cuatro cintas de grafeno, cada una con una base diferente insertada en el poro, podrían ser apiladas verticalmente para crear un sensor de ADN integrado.

Los investigadores combinaron los datos simulados con la teoría para estimar los niveles de variaciones mensurables de la señal. La intensidad de la señal estaba en el rango de miliamperios, más fuerte que en los anteriores métodos de nanopore de corriente iónica. Los investigadores sugirieron que cuatro mediciones independientes de la misma cadena de ADN producirían una precisión del 99,99 por ciento, según se requiera para la secuenciación de la secuencia de ADN. Genoma humano.

Los autores del estudio concluyeron que el método propuesto muestra "una promesa significativa para dispositivos de detección de ADN realistas" sin necesidad de procesamiento avanzado de datos, microscopios o condiciones de operación altamente restringidas. Aparte de fijar las bases al nanopore, todos los componentes del sensor han sido demostrados experimentalmente por otros grupos de investigación. El análisis teórico sugiere que los métodos electrónicos de filtrado básicos podrían aislar las señales eléctricas útiles. El método propuesto también podría usarse con otras membranas sensibles a la tensión, 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 el NIST.