As instruções para construir todas as proteínas do corpo estão contidas no DNA de uma pessoa, uma série de produtos químicos que, se desenrolado e amarrado de ponta a ponta, formaria uma frase com 3 bilhões de letras. A frase de cada pessoa é única, portanto, aprender como ler sequências de genes da maneira mais rápida e econômica possível pode abrir caminho para inúmeras aplicações médicas personalizadas.

Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia agora avançaram no sentido de realizar uma nova técnica de sequenciamento baseada na passagem do barbante por um pequeno orifício e no uso de um sensor próximo para ler cada letra à medida que ela passa.

Seu sensor de DNA é baseado em grafeno, uma rede atomicamente fina de carbono. As versões anteriores da técnica só faziam uso da magreza imbatível do grafeno, mas a pesquisa da equipe da Penn mostra como as propriedades elétricas exclusivas do material vencedor do Prêmio Nobel podem ser empregadas para fazer dispositivos de sequenciamento mais rápidos e sensíveis.

Criticamente, o estudo mais recente da equipe mostra como perfurar esses nanoporos sem arruinar a sensibilidade elétrica do grafeno, um risco apresentado simplesmente por olhar para o material através de um microscópio eletrônico.

A equipe inclui Marija Drndić, professor de física na Escola de Artes e Ciências, e membros de seu laboratório, incluindo o estudante de graduação Matthew Puster e os pesquisadores de pós-doutorado Julio Rodríguez-Manzo e Adrian Balan.

Sua pesquisa foi publicada na revista ACS Nano .

O grupo de Drndić já havia demonstrado uma série de avanços em direção à leitura de genes, passando-os por um pequeno orifício, ou nanopore. O estudo de 2010 envolveu a perfuração de um buraco em uma folha de grafeno, em seguida, colocá-lo em um banho iônico junto com as fitas de DNA a serem detectadas. Porque cada uma das quatro bases, as letras do alfabeto do DNA, tem um tamanho diferente, seria esperado que um número diferente de íons se espremesse junto com cada base à medida que o fio passasse pelo poro. Os pesquisadores poderiam então interpretar a sequência das bases do DNA medindo o sinal elétrico dos íons. Contudo, esses sinais atuais são fracos, limitando a velocidade na qual o DNA pode ser sequenciado.

Muitos grupos de pesquisa estão explorando várias maneiras de melhorar a sensibilidade e a velocidade da técnica, incluindo novos materiais e novas maneiras de formar nanoporos neles. O grupo de Drndić fez experiências com diferentes membranas, além de adicionar eletrônicos aprimorados para medir em velocidades mais rápidas, mas seu último estudo representa uma maneira inteiramente nova de gerar um sinal elétrico exclusivo para cada base.

"Nossa última tentativa de melhorar a técnica é uma partida de nosso trabalho anterior, Contudo, "Drndić disse." Agora estamos tentando medir a corrente diretamente do grafeno, ao passo que antes medíamos a corrente iônica na solução à medida que ela passava pelo poro. "

A equipe da Penn queria ver se nanoporos em grafeno, o material mais condutor conhecido, seria capaz de detectar a diferença entre as bases diretamente. Em vez de seus tamanhos diferentes, este método se basearia nas bases que alteram a carga elétrica no material próximo. Nesse caso, o material seria fino, fita de grafeno semelhante a arame. À medida que cada base passa pelo poro, ele modularia a corrente elétrica que flui através da fita. As mudanças na corrente seriam então combinadas com suas bases correspondentes, permitindo aos pesquisadores decifrar a sequência.

"A vantagem, "Balan disse, "Sobre o método iônico é que a corrente na fita de grafeno é mil vezes maior. Isso significa que podemos medir mil vezes mais rápido. Não precisaríamos diminuir a velocidade do DNA para fazer uma medição precisa de cada base."

Depois de fabricar as fitas de grafeno em uma membrana de nitreto de silício e conectar os contatos de metal, os pesquisadores os conectaram para medir sua resistência e, em seguida, os colocaram em um microscópio eletrônico de transmissão, ou TEM. Este tipo de microscópio usa um amplo feixe de elétrons para produzir imagens com resolução em nanoescala, medindo os elétrons à medida que passam pela amostra, mas também pode ser usado como uma broca, focalizando o feixe.

Os pesquisadores usaram um TEM para perfurar nanoporos em folhas de grafeno para seus experimentos de sequenciamento anteriores, mas encontraram um desafio inesperado desta vez. Quando eles colocam suas fitas no TEM, eles encontraram resistências significativamente aumentadas, sensibilidade limitante.

"Apenas olhar para as fitas de grafeno com o TEM fez com que elas se degradassem, "Drndić disse." O feixe largo que usamos para imagens os estava danificando ao introduzir defeitos no padrão dos átomos de carbono. Quase não era mais grafeno. "

"Não importava em nossos experimentos anteriores, "Puster disse, "já que estávamos usando apenas o grafeno por sua finura e propriedades mecânicas. Estávamos criando esses defeitos e aumentando a resistência, mas não percebemos porque não estávamos medindo as propriedades elétricas do grafeno. "

Mas com a chave de resistência ultrabaixa do grafeno para seu dispositivo de sequenciamento proposto, a equipe foi apresentada com um dilema; eles precisavam fazer um buraco em um ponto preciso em uma fita 10, 000 vezes mais fino do que um cabelo humano e efetivamente vendado.

"Este foi um verdadeiro obstáculo, "Drndić disse." Como íamos perfurar esses poros quando apenas olhar para a fita mata o dispositivo? "

A solução da equipe foi usar um modo de imagem diferente no TEM, que produziu uma varredura grosseira em vez de uma imagem de alta definição.

"Em vez de abrir a válvula do feixe e inundar a fita com elétrons, "Rodríguez-Manzo disse, "usamos um modo de digitalização que tira apenas um instantâneo. Ao tirar a foto mais difusa que ainda nos diz onde está a borda da fita, limitamos a quantidade de elétrons que o atingem. "

"A imagem que recebemos é muito pixelizada, "Puster disse." Mas então nós só precisamos escolher o pixel onde queremos colocar o poro ou entalhe. "

A equipe mediu simultaneamente as resistências das fitas enquanto tirava essas fotos, mostrando claramente que eles permaneceram intactos durante todo o processo. Eles também simularam a presença de uma fita de DNA usando um campo elétrico para testar se o dispositivo seria sensível o suficiente para conduzir experimentos de DNA.

"Acho que isso pode resolver os problemas de muitos nanosensores diferentes, "Drndić disse." Quer sejam feitos de grafeno, nanofios, nanotubos de carbono ou outras nanoestruturas, isso ajudará a mantê-los em funcionamento enquanto estiverem em um TEM. O principal truque aqui é perfurar o nanoporo com o mínimo de imagens possível, apenas dando uma olhada rápida debaixo da venda. "