(Phys.org) —O fascínio da medicina personalizada fez uma nova, formas mais eficientes de sequenciar genes são uma prioridade de pesquisa. Uma técnica promissora envolve a leitura de bases de DNA usando mudanças na corrente elétrica à medida que são inseridas em um orifício nanoscópico.

Agora, uma equipe liderada por físicos da Universidade da Pensilvânia usou nanoporos de estado sólido para diferenciar moléculas de DNA de fita simples contendo sequências de uma única base repetitiva.

O estudo foi liderado por Marija Drndić, professor associado do Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências, junto com os alunos de graduação Kimberly Venta e Matthew Puster e os pesquisadores de pós-doutorado Gabriel Shemer, Julio A. Rodriguez-Manzo e Adrian Balan. Eles colaboraram com o professor assistente Jacob K. Rosenstein da Brown University e o professor Kenneth L. Shepard da Columbia University.

Seus resultados foram publicados na revista ACS Nano .

Nesta técnica, conhecido como medições de translocação de DNA, fitas de DNA em uma solução salina são conduzidas através de uma abertura em uma membrana por um campo elétrico aplicado. À medida que cada base do fio passa pelo poro, bloqueia a passagem de alguns íons ao mesmo tempo; amplificadores ligados ao chip nanopore podem registrar a queda resultante na corrente elétrica. Como cada base tem um tamanho diferente, os pesquisadores esperam usar esses dados para inferir a ordem das bases conforme a fita passa. As diferenças nos tamanhos das bases são tão pequenas, Contudo, que as proporções dos nanoporos e das membranas precisam ser próximas às das próprias fitas de DNA - um grande desafio.

Os dispositivos nanopore mais próximos de uma opção comercialmente viável para sequenciamento são feitos de poros de proteínas e bicamadas lipídicas. Esses poros de proteína têm proporções desejáveis, mas as membranas da bicamada lipídica em que são inseridas são semelhantes a uma película de sabão, o que deixa muito a desejar em termos de durabilidade e robustez.

Dispositivos nanopore de estado sólido, que são feitos de membranas de estado sólido finas, oferecem vantagens sobre seus equivalentes biológicos - eles podem ser mais facilmente enviados e integrados com outros eletrônicos - mas as demonstrações básicas de sensibilidade à prova de princípio para diferentes bases de DNA têm sido mais lentas.

"Embora os nanoporos biológicos tenham mostrado a capacidade de resolver nucleotídeos únicos, as alternativas de estado sólido ficaram para trás devido a dois desafios de realmente fabricar os poros do tamanho certo e alcançar alto sinal, medições de baixo ruído e alta largura de banda, "Drndić disse." Estamos a atacar esses dois desafios aqui. "

Porque o mecanismo pelo qual o nanopore se diferencia entre um tipo de base e outro é pela quantidade de abertura do poro que é bloqueada, quanto menor o diâmetro de um poro, mais preciso ele é. Para que o nanopore seja eficaz na determinação de uma sequência de bases, seu diâmetro deve se aproximar do diâmetro do DNA e sua espessura deve se aproximar do espaço entre uma base e a próxima, ou cerca de 0,3 nanômetros.

Para obter nanoporos e membranas de estado sólido nessas proporções minúsculas, pesquisadores, incluindo o grupo de Drndić, estão investigando materiais de ponta, como o grafeno. Uma única camada de átomos de carbono em uma rede hexagonal, as membranas de grafeno podem ser feitas com uma espessura de cerca de 0,5 nanômetro, mas têm suas próprias desvantagens a serem tratadas. Por exemplo, o material em si é hidrofóbico, tornando mais difícil a passagem de fitas de DNA por eles.

Neste experimento, Drndić e seus colegas trabalharam com um material diferente - nitreto de silício - em vez de tentar criar membranas de grafeno com um átomo de espessura para nanoporos. O nitreto de silício tratado é hidrofílico e tem permitido prontamente as translocações de DNA, conforme medido por muitos outros pesquisadores durante a última década. E embora sua membrana seja mais espessa, cerca de 5 nanômetros, os poros de nitreto de silício também podem se aproximar do grafeno em termos de finura devido à forma como são fabricados.

"A maneira como fazemos os nanoporos em nitreto de silício faz com que eles diminuam gradualmente, de modo que a espessura efetiva é cerca de um terço do resto da membrana, "Drndić disse.

Drndić e seus colegas testaram seu nanoporo de nitreto de silício em homopolímeros, ou fitas simples de DNA com sequências que consistem em apenas uma base repetida várias vezes. Os pesquisadores foram capazes de fazer medições distintas para três das quatro bases:adenina, citosina e timina. Eles não tentaram medir a guanina, pois os homopolímeros feitos com essa base se ligam a si mesmos, tornando mais difícil passá-los pelos nanoporos.

“Mostramos que esses pequenos poros são sensíveis ao conteúdo de base, "Drndić disse, "e vimos esses resultados em poros com diâmetros entre 1 e 2 nanômetros, o que é realmente encorajador porque sugere que alguma variabilidade de fabricação pode ser boa. "