Группа ученых из США в рамках своей последней работы создала молекулярный «ридер», который, возможно, обеспечит чтение последовательности ДНК. Устройство работает при помощи захвата молекул в зазор туннельного перехода. Опубликованная учеными работа является частью глобальных усилий по разработке быстрых и не затратных методов чтения нуклеотидов ДНК.

Геном или генетический профиль любого живого существа, будь то животное или растение, теперь может быть определен путем секвенирования пар оснований, которые формируют его ДНК.

Прошло уже более 10 лет с тех пор, как был реализован вошедший в историю проект расшифровки генома человека, содержащего три миллиарда пар оснований ДНК.

В рамках той новаторской работы исследователи впервые выделили цепь молекулы ДНК и заставили ее скопировать себя миллион раз в специальной химической реакции. Впоследствии эти нити были разделены на крошечные фрагменты, поскольку большинство методов секвенирования ДНК, доступных в то время, позволяло анализировать только очень короткие участки молекулы.

Затем суперкомпьютер сопоставлял перекрывающиеся модели отклика от оснований, чтобы собрать весь геном воедино.

С тех пор многое изменилось.

И мы теперь в состоянии читать длинные последовательности ДНК. Новые методики основаны на прохождении нити через нанопоры, к примеру, через графен (лист атомов углерода, образующих двумерную гексагональную кристаллическую решетку). «Прочитать» последовательность позволяет ток, проходящий через нанопоры. По мере продвижения молекулы ДНК через пору, каждое из четырех оснований по-своему влияет на ток, протекающий через систему.

Однако проблема современных методик заключается в том, что нанопоры дают сигнал более чем от одного основания, что несколько затрудняет процесс чтения.

Некоторые исследователи вместо нанопор для измерения электронной проводимости оснований ДНК используют туннельные переходы – устройства, состоящие из двух электродов, разделенных крошечной щелью. Туннельные переходы достаточно чувствительны, чтобы читать только одно основание. Но на сегодняшний день они производятся путем механической регулировки расстояния между электродами.

Соответственно, подобные конструкции не могут производиться массово, как компьютерные чипы. А переходы с фиксированным зазором, сформированные на чипе, не обладают нужной точностью – позволяют обнаруживать целые молекулы ДНК, но не дают информации о ее составе.

В своей работе группа исследователей из Arizona State University (США) предложила использовать так называемый «многослойный» туннельный переход, отличающийся тем, что ширина туннельного промежутка определяется толщиной диэлектрика, которые ученые выращивали на устройстве с использованием привычного метода осаждения атомных слоев. Впоследствии они просверлили отверстия в этих слоях при помощи реактивного ионного травления, так что туннельный переход мог подвергаться воздействию молекул из раствора. Если при этом функционализировать металлические электроды специальными молекулами, которые могут захватывать нуклеотиды ДНК, благодаря водородным связям, появляется возможность идентифицировать отдельные нуклеотиды, измеряя колебания туннельного тока.

Подход, предложенный учеными и подразумевающий использование тонкого слоя диэлектрика, оказался гораздо проще ручного регулирования зазора между двумя металлическими электродами.

А использование специальных молекул для захвата нуклеотидов позволяет делать зазор между электродами существенно больше (от 2 нм, хотя ранее для считывания ДНК требовалось формировать зазор менее 1 нм). Все это упрощает процесс изготовления устройства.

Ученые считают, что

предложенный «многослойный» туннельный переход является первым шагом в направлении устройств для секвенирования на одном чипе. Для развития этой технологии, правда, потребуется включение в существующий туннельный переход нанопор. Этим научная группа и планирует заняться в ближайшее время.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале ACS Nano.