DNA door nanogaatjes in grafeen
Een team onderzoekers van de TU Delft presenteert een nieuw type 'nanogaatjes device' dat grote impact kan hebben op de manier waarop wetenschappers DNA-moleculen screenen, bijvoorbeeld om hun genetische informatie af te lezen. In een paper getiteld 'DNA Translocation through Graphene Nanopores' (online gepubliceerd in Nano Letters) doet het team verslag van een nieuwe techniek om minuscule gaatjes aan te brengen in een laagje grafeen (een koolstoflaag van slechts één atoom dik). De onderzoekers zijn er vervolgens in geslaagd het transport te detecteren van individuele DNA-moleculen die door zo'n gaatje stromen.
In de hele wereld wordt koortsachtig gewerkt aan de ontwikkeling van snelle en goedkope manieren om DNA te 'sequencen', dat wil zeggen de inhoud van het menselijk genoom af te lezen. Voor de nieuwste generatie sequencing-technieken wordt veel verwacht van apparaten die metingen van een individueel molecuul mogelijk maken: één enkel DNA-molecuul (drie miljard basen, een meter lang als het helemaal wordt uitgerold) die in real time, base voor base wordt afgelezen. Dat is wat postdoc dr. Gregory Schneider uit de groep van professor Cees Dekker en collega's van het Kavli Institute of Nanoscience voor ogen hebben. De eerste stap in die richting hebben ze nu gedemonstreerd: één afzonderlijke DNA-molecuul die door een piepklein gaatje op nanoschaal gaat in het dunste membraan dat de natuur ons biedt: een laagje grafeen van één atoom dik.
Grafeen is een uniek en bijzonder materiaal, maar is tegelijkertijd volop beschikbaar. Iedereen heeft wel grafeen in huis: grafiet bestaat uit laagjes grafeen en komt bijvoorbeeld voor in potloden, houtskool en roet van kaarsen. In dit onderzoek wordt grafeen gebruikt omdat het de bijzondere eigenschap bezit dat er lagen van één atoom dik van kunnen worden gemaakt. Zo'n ultradun membraan is voor dit onderzoek zeer belangrijk. De afstand tussen twee basen in DNA is heel klein, ongeveer een halve nanometer, 100.000 keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar. Om de basen van het DNA te kunnen aflezen is er dus een detector nodig die kleiner is dan die halve nanometer en daarvoor zijn grafeenmembranen van atomaire dikte van essentieel belang.
Schneider en zijn collega's hebben in een grafeenmembraan een gaatje op nanoschaal gemaakt, een zogenaamde nanoporie. Dit is een ideale detector. Ze hebben vervolgens laten zien dat individuele DNA-moleculen in het water door zo'n nanoporie in grafeen heen getrokken kunnen worden en, nog belangijker, dat elk afzonderlijk DNA-molecuul kan worden gedetecteerd zodra hij door de porie gaat. De detectietechniek is heel eenvoudig: als de nanoporie onder elektrische spanning wordt gezet, verplaatsen ionen in de oplossing zich door de opening en wordt er stroom gedetecteerd. De stroom wordt minder als er een DNA-molecuul door de nanoporie gaat en daarbij de ionenstroom voor een deel blokkeert. Elke afzonderlijk DNA-molecuul dat door de nanoporie gaat wordt dus gedetecteerd door een tijdelijk dipje in de stroomsterkte.
Het DNA gaat base voor base door de nanoporie. Met een nanoporie in grafeen van één atoom dik is het in principe mogelijk om de DNA-sequentie base voor base af te lezen. Wereldwijd zijn er verschillende groepen bezig nanoporiën in grafeen te realiseren. Schneider et al. zijn deze week de eersten die verslag doen over hun resultaten.
Translocatie van DNA door nanoporiën is al eerder ontwikkeld, zowel door het Dekker Lab als door anderen, bijvoorbeeld met behulp van membranen van SiN (Silicium Nitride). De techniek van nanoporiën in grafeen biedt nieuwe mogelijkheden, en veel meer dan alleen sequencing. Aangezien grafeen, in tegenstelling tot SiN, een uitstekende geleider is, zal bij een volgende stap bijvoorbeeld gebruik worden gemaakt van de intrinsieke geleidingseigenschappen van grafeen. Nanoporiën zijn breed inzetbaar in sensoren, zowel voor wetenschappelijke als praktische toepassingen.
Technische Universiteit Delft
Technische Universiteit Delft