Углеродные мембраны толщиной в один атом, отделяющие одну жидкость от другой, могут значительно снизить стоимость секвенирования ДНК.

Исследователи из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института (MIT) показали, что графен (чрезвычайно прочный плоский слой углерода толщиной всего в один атом) может выступать в роли мембраны, отделяющей одну жидкую среду от другой. Проделав в такой мембране крошечное отверстие диаметром в несколько нанометров, называемое нанопорой, ученые смогли измерить поток проходящих через нее ионов и продемонстрировали, что длинные молекулы ДНК можно «протащить» через графеновую нанопору, как нитку через игольное ушко.

«Толщина погруженной в жидкость графеновой пленки составляет менее 1 нанометра, что во много раз меньше, чем у самой тонкой мембраны, отделяющей клетки живых организмов от окружающей среды, — говорит ведущий автор статьи Славен Гарай (Slaven Garaj), научный сотрудник кафедры физики Гарвардского университета. — Это делает графен самой тонкой мембраной, способной отделять друг от друга два отсека, наполненных жидкостью. Толщину мембраны можно определить по ее взаимодействию с молекулами воды и ионами».

Графен, славящийся своей прочностью, имеет и целый ряд других немаловажных свойств — например, способность проводить электрический ток.

«Графен не позволяет молекулам воды и ионам проходить сквозь него, но различные частицы могут «налипать» на обе стороны мембраны, которые разделены расстоянием всего в один атом. Это влияет на электрическую проводимость графена и может быть использовано для создания химических сенсоров, — говорит Евгений Головченко, профессор прикладной физики в Гарвардском университете и один из соавторов исследования, чьи новаторские работы положили начало исследованиям в области твердотельных мембранных материалов с искусственными нанопорами. — Я думаю, что углеродные пленки толщиной в один атом могут стать новыми электрическими приборами, способными дать более глубокое понимание физики поверхностных явлений, а также найти широкое практическое применение, например, в химических сенсорах или для обнаружения отдельных молекул».

Графен не перестает удивлять ученых своими многочисленными уникальными свойствами и возможностями практического применения — в электронике, солнечной энергетике, медицине и других областях.

Цзин Конг (Jing Kong), одна из соавторов статьи, опубликованной в журнале Nature, и ее коллеги из MIT разработали и впервые применили метод получения достаточно крупных углеродных пленок, который был использован при проведении исследований. Полученный графен поместили в кремниевую рамку, которая была вставлена между двумя сообщающимися резервуарами с жидкостью. Электрическое напряжение, приложенное к жидкости, заставляет содержащиеся в ней ионы стремиться пройти сквозь мембрану. Им это удается при наличии нанопор. В таком случае возникает электрический ток, который может быть зафиксирован и измерен.

Когда исследователи добавили в жидкость длинные цепочки ДНК, электрофоретическая сила «протягивала» их сквозь нанопоры. При этом ДНК блокировала поток ионов, что приводило к возникновению характерного электрического сигнала, отражающего размер и строение биополимера.

Соавтор статьи Дэниел Брэнтон (Daniel Branton), профессор биологии Гарвардского университета, является одним из исследователей, которые более десятка лет назад начали использовать нанопоры в искусственных мембранах для секвенирования ДНК. Вместе со своим коллегой Дэвидом Димером (David Deamer) из Университета штата Калифорния Брэнтон предложил использовать нанопоры для быстрого считывания генетического кода — подобным образом можно «читать» телеграфные сообщения с перфорированной ленты.

Толщина графена (один-два атома) достаточно мала, чтобы выявить границы соседних нуклеотидов — «букв» генетического кода, что не позволяли сделать другие мембраны. Однако, чтобы воплотить в жизнь этот быстрый и недорогой способ секвенирования ДНК, необходимо решить ряд проблем — в частности, найти способ контроля скорости прохождения ДНК сквозь пору.

«Мы были первыми, кто продемонстрировал перемещение ДНК сквозь мембрану толщиной в один атом. Уникальные свойства графена могут приблизить день, когда мечты о недорогом методе секвенирования ДНК воплотятся в реальность. Грядущие исследования обещают быть очень интересными», — заключает Брэнтон.

По сообщению HarvardScience