Ein Atom dicke Kohlenstoffmembranen, die eine Flüssigkeit von einer anderen trennen, könnten die Kosten der DNA-Sequenzierung erheblich senken.
Eine DNA-Kette passiert eine Nanopore in Graphen
Forscher der Harvard University und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben gezeigt, dass Graphen (eine extrem starke flache Kohlenstoffschicht, die nur ein Atom dick ist) als Membran fungieren kann, die ein flüssiges Medium vom anderen trennt. Indem sie ein winziges Loch mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern, eine sogenannte Nanopore, in eine solche Membran schnitten, konnten die Wissenschaftler den Fluss der hindurchgehenden Ionen messen und demonstrieren, dass lange DNA-Moleküle wie ein Faden durch die Graphen-Nanopore gezogen werden können das Nadelöhr.
" Die Dicke eines Graphenfilms, der in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, beträgt weniger als 1 Nanometer, was um ein Vielfaches dünner ist als die dünnste Membran, die die Zellen lebender Organismen von der Umgebung trennt", sagt Hauptautor Slaven Garaj, Forschung wissenschaftlicher Mitarbeiter am Department of Physics der Harvard University. - Damit ist Graphen die dünnste Membran, die in der Lage ist, zwei mit Flüssigkeit gefüllte Kompartimente voneinander zu trennen. Die Dicke der Membran kann durch ihre Wechselwirkung mit Wassermolekülen und Ionen bestimmt werden.“
Graphen, berühmt für seine Stärke, hat eine Reihe weiterer wichtiger Eigenschaften - zum Beispiel die Fähigkeit, Elektrizität zu leiten.
« Graphen lässt Wassermoleküle und Ionen nicht passieren, aber verschiedene Partikel können an beiden Seiten der Membran „haften“, die nur durch ein Atom getrennt sind. Dies beeinflusst die elektrische Leitfähigkeit von Graphen und kann zur Herstellung chemischer Sensoren verwendet werden, sagt Evgeny Golovchenko, Professor für angewandte Physik an der Harvard University und einer der Co-Autoren der Studie, dessen Pionierarbeit den Weg für die Erforschung von Festkörpern geebnet hat. Zustandsmembranmaterialien mit künstlichen Nanoporen. - Ich denke, dass Kohlenstofffilme mit einer Dicke von einem Atom zu neuen elektrischen Geräten werden könnten, die ein tieferes Verständnis der Physik von Oberflächenphänomenen ermöglichen und auch breite praktische Anwendungen finden können, beispielsweise in chemischen Sensoren oder zum Nachweis einzelner Moleküle.“
Graphen überrascht Wissenschaftler immer wieder mit seinen zahlreichen einzigartigen Eigenschaften und praktischen Anwendungen - in der Elektronik, Solarenergie, Medizin und anderen Bereichen.
Jing Kong, eine der Co-Autoren eines in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Artikels, und ihre Kollegen am MIT haben eine Methode entwickelt und Pionierarbeit geleistet, um ausreichend große Kohlenstofffilme zu erh alten, die in der Studie verwendet wurden. Das resultierende Graphen wurde in einen Siliziumrahmen eingebracht, der zwischen zwei kommunizierende Reservoirs mit Flüssigkeit eingefügt wurde. Eine an eine Flüssigkeit angelegte elektrische Spannung bewirkt, dass die darin enth altenen Ionen dazu neigen, die Membran zu passieren. Dies gelingt ihnen in Gegenwart von Nanoporen. Dabei wird ein elektrischer Strom erzeugt, der aufgezeichnet und gemessen werden kann.
Als die Forscher der Flüssigkeit lange DNA-Stränge hinzufügten, zog die elektrophoretische Kraft sie durch die Nanoporen. Gleichzeitig blockierte DNA den Ionenfluss, was zum Auftreten eines charakteristischen elektrischen Signals führte, das die Größe und Struktur des Biopolymers widerspiegelt.
Co-Autor Daniel Branton, Professor für Biologie an der Harvard University, ist einer der Forscher, die vor mehr als einem Jahrzehnt damit begannen, Nanoporen in künstlichen Membranen für die DNA-Sequenzierung zu verwenden. Gemeinsam mit seinem Kollegen David Deamer von der California State University schlug Branton vor, Nanoporen zum schnellen Auslesen des genetischen Codes zu nutzen – auf ähnliche Weise kann man Telegrafennachrichten von Lochstreifen „lesen“.
Die Dicke von Graphen (ein oder zwei Atome) ist klein genug, um die Grenzen benachbarter Nukleotide sichtbar zu machen – die „Buchstaben“des genetischen Codes, die andere Membranen nicht zuließen. Um diese schnelle und kostengünstige Methode der DNA-Sequenzierung zu implementieren, müssen jedoch eine Reihe von Problemen gelöst werden - insbesondere muss ein Weg gefunden werden, die Geschwindigkeit des DNA-Durchgangs durch die Pore zu kontrollieren.
Wir waren die ersten, die die Bewegung von DNA durch eine ein Atom dicke Membran demonstrierten. Die einzigartigen Eigenschaften von Graphen könnten den Tag beschleunigen, an dem Träume von kostengünstiger DNA-Sequenzierung Wirklichkeit werden. Zukünftige Forschung verspricht sehr interessant zu werden“, schließt Branton.
