(Phys.org) — L'attrait de la médecine personnalisée a fait de nouveaux, des moyens plus efficaces de séquençage des gènes une priorité absolue de la recherche. Une technique prometteuse consiste à lire les bases d'ADN en utilisant les changements de courant électrique lorsqu'elles sont enfilées à travers un trou nanoscopique.

Maintenant, une équipe dirigée par des physiciens de l'Université de Pennsylvanie a utilisé des nanopores à l'état solide pour différencier des molécules d'ADN simple brin contenant des séquences d'une seule base répétitive.

L'étude a été dirigée par Marija Drndić, professeur agrégé au Département de physique et d'astronomie de l'École des arts et des sciences, avec les étudiants diplômés Kimberly Venta et Matthew Puster et les chercheurs post-doctoraux Gabriel Shemer, Julio A. Rodriguez-Manzo et Adrian Balan. Ils ont collaboré avec le professeur assistant Jacob K. Rosenstein de l'Université Brown et le professeur Kenneth L. Shepard de l'Université Columbia.

Leurs résultats ont été publiés dans la revue ACS Nano .

Dans cette technique, connu sous le nom de mesures de translocation d'ADN, des brins d'ADN dans une solution saline sont entraînés à travers une ouverture dans une membrane par un champ électrique appliqué. Comme chaque base du brin passe à travers le pore, il bloque le passage de certains ions en même temps; les amplificateurs attachés à la puce nanopore peuvent enregistrer la chute de courant électrique qui en résulte. Parce que chaque base a une taille différente, les chercheurs espèrent utiliser ces données pour déduire l'ordre des bases lors du passage du brin. Les différences dans les tailles de base sont si petites, cependant, que les proportions des nanopores et des membranes doivent être proches de celles des brins d'ADN eux-mêmes, un défi majeur.

Les dispositifs à nanopores les plus proches d'être une option commercialement viable pour le séquençage sont constitués de pores de protéines et de bicouches lipidiques. Ces pores de protéines ont des proportions souhaitables, mais les membranes bicouches lipidiques dans lesquelles elles sont insérées s'apparentent à un film de savon, ce qui laisse beaucoup à désirer en termes de durabilité et de robustesse.

Dispositifs à nanopores à l'état solide, qui sont constitués de fines membranes à l'état solide, offrent des avantages par rapport à leurs homologues biologiques - ils peuvent être plus facilement expédiés et intégrés à d'autres appareils électroniques - mais les démonstrations de base de la sensibilité de la preuve de principe à différentes bases d'ADN ont été plus lentes.

"Alors que les nanopores biologiques ont montré la capacité de résoudre des nucléotides simples, les alternatives à l'état solide ont pris du retard en raison de deux défis de fabrication de pores de la bonne taille et d'obtention d'un signal élevé, mesures à faible bruit et à bande passante élevée, " a déclaré Drndić. "Nous attaquons ces deux défis ici."

Parce que le mécanisme par lequel le nanopore différencie un type de base d'un autre est la quantité d'ouverture du pore qui est bloquée, plus le diamètre d'un pore est petit, plus c'est précis. Pour que le nanopore soit efficace pour déterminer une séquence de bases, son diamètre doit se rapprocher du diamètre de l'ADN et son épaisseur doit se rapprocher de celle de l'espace entre une base et la suivante, ou environ 0,3 nanomètres.

Pour obtenir des nanopores et des membranes à l'état solide dans ces proportions minuscules, des chercheurs, y compris le groupe de Drndić, étudient des matériaux de pointe, comme le graphène. Une seule couche d'atomes de carbone dans un réseau hexagonal, Les membranes de graphène peuvent avoir une épaisseur d'environ 0,5 nanomètre, mais ont leurs propres inconvénients à résoudre. Par exemple, le matériau lui-même est hydrophobe, rendant plus difficile le passage des brins d'ADN à travers eux.

Dans cette expérience, Drndić et ses collègues ont travaillé avec un matériau différent, le nitrure de silicium, plutôt que d'essayer de fabriquer des membranes de graphène d'un seul atome d'épaisseur pour les nanopores. Le nitrure de silicium traité est hydrophile et a facilement permis des translocations d'ADN, tel que mesuré par de nombreux autres chercheurs au cours de la dernière décennie. Et tandis que leur membrane est plus épaisse, environ 5 nanomètres, Les pores de nitrure de silicium peuvent également se rapprocher du graphène en termes de finesse en raison de la façon dont ils sont fabriqués.

"La façon dont nous fabriquons les nanopores dans le nitrure de silicium les fait rétrécir, de sorte que l'épaisseur effective est d'environ un tiers du reste de la membrane, " a déclaré Drndić.

Drndić et ses collègues ont testé leur nanopore de nitrure de silicium sur des homopolymères, ou des brins simples d'ADN avec des séquences constituées d'une seule base répétée plusieurs fois. Les chercheurs ont pu effectuer des mesures distinctes pour trois des quatre bases :adénine, cytosine et thymine. Ils n'ont pas tenté de mesurer la guanine car les homopolymères fabriqués avec cette base se lient sur eux-mêmes, rendant plus difficile leur passage à travers les nanopores.

"Nous montrons que ces petits pores sont sensibles à la teneur en base, " Drndić a dit, "et nous avons vu ces résultats dans des pores d'un diamètre compris entre 1 et 2 nanomètres, ce qui est en fait encourageant car cela suggère qu'une certaine variabilité de fabrication peut être acceptable."