Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) simularam um novo conceito de sequenciamento preciso de genes puxando uma molécula de DNA através de um minúsculo, buraco quimicamente ativado no grafeno - uma folha ultrafina de átomos de carbono - e detectando mudanças na corrente elétrica.

O estudo do NIST sugere que o método pode identificar cerca de 66 bilhões de bases - as menores unidades de informação genética - por segundo com 90 por cento de precisão e nenhum falso positivo. Se demonstrado experimentalmente, o método NIST pode ser mais rápido e mais barato do que o sequenciamento de DNA convencional, atendendo a uma necessidade crítica de aplicativos como análise forense.

Sequenciamento convencional, desenvolvido na década de 1970, envolve separar, copiando, rotulando e remontando pedaços de DNA para ler a informação genética. A nova proposta do NIST é uma reviravolta na ideia mais recente de "sequenciamento de nanopore" de puxar o DNA através de um orifício em materiais específicos, originalmente uma proteína. Este conceito - iniciado há 20 anos no NIST - é baseado na passagem de partículas eletricamente carregadas (íons) através do poro. A ideia continua popular, mas apresenta desafios, como ruído elétrico indesejado, ou interferência, e seletividade inadequada.

Por contraste, A nova proposta do NIST é criar ligações químicas temporárias e contar com a capacidade do grafeno de converter as tensões mecânicas da quebra dessas ligações em blips mensuráveis ​​na corrente elétrica.

"Este é essencialmente um sensor de tensão minúsculo, "diz o teórico do NIST Alex Smolyanitsky, quem teve a ideia e liderou o projeto. "Não inventamos uma tecnologia completa. Delineamos um novo princípio físico que pode ser potencialmente muito superior a qualquer outra coisa que existe."

O grafeno é popular em propostas de sequenciamento de nanoporos devido às suas propriedades elétricas e estrutura de filme fino miniaturizado. No novo método NIST, uma nanofita de grafeno (4,5 por 15,5 nanômetros) tem várias cópias de uma base anexada ao nanoporo (2,5 nm de largura). O código genético do DNA é construído a partir de quatro tipos de bases, que se ligam aos pares como citosina-guanina e timina-adenina.

Em simulações (veja a animação anexa) de como o sensor funcionaria em temperatura ambiente na água, citosina é anexada ao nanoporo para detectar guanina. Uma molécula de DNA de fita simples (descompactada) é puxada através do poro. Quando a guanina passa, ligações de hidrogênio se formam com a citosina. Conforme o DNA continua se movendo, o grafeno é puxado e desliza de volta para a posição quando as ligações se rompem.

O estudo do NIST se concentrou em como essa cepa afeta as propriedades eletrônicas do grafeno e descobriu que mudanças temporárias na corrente elétrica de fato indicam que uma base-alvo acabou de passar. Para detectar todas as quatro bases, quatro fitas de grafeno, cada um com uma base diferente inserida no poro, pode ser empilhado verticalmente para criar um sensor de DNA integrado.

Os pesquisadores combinaram dados simulados com teoria para estimar os níveis de variações mensuráveis ​​do sinal. A força do sinal estava na faixa dos miliamperes, mais forte do que nos métodos de nanoporos por corrente de íons anteriores. Com base no desempenho de 90 por cento de precisão sem nenhum falso positivo (ou seja, os erros eram devidos a bases perdidas, e não a bases erradas), os pesquisadores sugerem que quatro medições independentes da mesma fita de DNA produziriam 99,99 por cento de precisão, conforme necessário para o sequenciamento do genoma humano.

Os autores do estudo concluíram que o método proposto mostra "uma promessa significativa para dispositivos de detecção de DNA realistas", sem a necessidade de processamento de dados avançado, microscópios, ou condições operacionais altamente restritas. Além de anexar bases ao nanopore, todos os componentes do sensor foram demonstrados experimentalmente por outros grupos de pesquisa. A análise teórica sugere que métodos básicos de filtragem eletrônica podem isolar os sinais elétricos úteis. O método proposto também pode ser usado com outras membranas sensíveis à cepa, como dissulfeto de molibdênio.

Cerca de metade das simulações foram realizadas por um co-autor da Universidade de Groningen, na Holanda. O resto foi feito no NIST.