Группа ученых из Дельфтского технологического университета (Delft University of Technology) сообщила о новом типе нанопористых устройств, которые могут значительно повлиять на разработку методов скрининга молекул ДНК, например, для считывания их последовательностей. В статье, опубликованной он-лайн в журнале Nano Letters, они сообщают о новом методе получения мельчайших пор в графене (слое углерода толщиной всего в 1 атом). Им также удалось зарегистрировать перемещение отдельных молекул ДНК, проходящих через такую пору.

Художественное изображение молекулы ДНК,
проходящей через мельчайшее отверстие
в графеновом слое толщиной в один атом,
находящемся на Si/SiN-чипе.
(Credit: Image courtesy Cees Dekker lab TU Delft / Tremani)

Гонка в области разработки быстрых и недорогих стратегий секвенирования ДНК, то есть считывания содержания нашего генома, oхватила весь мир. Особенно перспективными представляются устройства следующего поколения, в которых измерения проводятся на отдельных молекулах. Представьте себе молекулу ДНК одной из ваших клеток (3 миллиона пар оснований, 1 метр длины, если растянуть ее от начала до конца), чтение которой  – основание за основанием – происходит в режиме реального времени по мере того, как молекула скользит между вашими пальцами. Это то, что собираются превратить в реальность постдокторант Грегори Шнайдер (Gregory Schneider) из группы профессора Сиза Деккера (Cees Dekker) и его коллеги из Института нанонаук Кавли (Kavli Institute of Nanoscience). Сейчас ученые продемонстрировали первый шаг в этом направлении: проскальзывание отдельной молекулы ДНК через наноразмерную пору в самой тонкой мембране, какую только может предложить природа – слое графена толщиной в один атом.

Графен – уникальный и своеобразный материал, при этом широко распространенный в природе. Он есть дома у каждого из нас: например, графит углеродных карандашей состоит из слоев графена. Его можно найти и в древесном угле, и в свечной саже. Но в данном исследовании графен используется благодаря его особому свойству образовывать одноатомные монослои. Почему важна такая ультратонкая мембрана? Давайте вернемся назад к той молекуле, скользящей между вашими пальцами. Расстояние между двумя основаниями в ДНК очень мало, около половины нанометра! Поэтому для считывания информации с каждого из них нужен рекодер – записывающее устройство – который сам должен быть меньше половины нанометра. Если бы ваши пальцы можно было уменьшить до такого размера … Вот здесь-то графеновые мембраны толщиной в один атом и играют решающую роль.

Шнайдер и его коллеги проделали наноразмерные отверстия – нанопоры – в графеновой мембране, представляющей собой идеальный рекодер. Они продемонтрировали, что находящиеся в воде отдельные молекулы ДНК можно протянуть через такую графеновую нанопору, и, что особенно важно, каждую молекула ДНК можно обнаружить. Метод обнаружения очень прост: при приложении к нанопоре электрического напряжения ионы в растворе начинают перемещаться, генерируя электрический ток. Когда молекула ДНК входит в нанопору и частично блокирует поток ионов, ток становится меньше. Таким образом, каждая отдельная перемещающаяся через пору молекула ДНК обнаруживается по падению электрического тока.

ДНК скользит через нанопору основание за основанием. Графеновая нанопора толщиной в один атом, в принципе, дает возможность считать, также основание за основанием, всю их последовательность.

Графеновые нанопоры пытаются использовать несколько исследовательских групп по всему миру. Шнайдер и его коллеги первыми сообщили о достигнутых результатах.

Транслокация ДНК через нанопоры была ранее разработана лабораторией Деккера и другими исследователями, которые использовали для этого, в частности, SiN-мембраны. Графеновые нанопоры открывают новые возможности – гораздо большие, чем только секвенирование ДНК. Так как в отличие от SiN графен является отличным проводником, следующий очевидный шаг  – использование свойственных ему проводниковых свойств. Нанопоры открывают целый ряд возможностей в области разработки сенсоров, как для фундаментальных, так и для прикладных научных исследований.

Аннотация к статье: Grégory F. Schneider, Stefan W. Kowalczyk, Victor E. Calado, Grégory Pandraud, Henny W. Zandbergen, Lieven M. K. Vandersypen, Cees Dekker. DNA Translocation through Graphene Nanopores