С помощью самых передовых технологий инженеры Техасского университета в Далласе (The University of Texas at Dallas) научились контролировать размер нанопор в графене и сделали их достаточно маленькими, чтобы использовать для секвенирования ДНК.

Получение в графене пор размером меньше одного нанометра открывает возможность использования этого материала в качестве недорогого инструмента для секвенирования главной молекулы нашего организма – ДНК.

«Низкая стоимость секвенирования ДНК позволит ученым и врачам более точно диагностировать заболевания и составлять прогноз их развития, а также адаптировать лекарственные препараты к генетическому коду конкретного пациента», – объясняет доктор Мун Ким (Moon Kim), профессор материаловедения и инженерии.

Профессор Мун – старший автор статьи, анонсированной на обложке сентябрьского номера печатного издания журнала Carbon.

Стоимость первого «считывания», или секвенирования, ДНК человека, проведенного международной научно-исследовательской группой, известной как Human Genome Project, составила около 2,7 миллиарда долларов. С тех пор инженеры постоянно ищут альтернативные наноматериалы, способные «пропускать» через себя цепочку ДНК. Цель таких исследований – снизить стоимости секвенирования до менее чем 1000 долларов за анализ одного генома.

В 2004 году ученые доказали, что из обычного графита можно получить слой связанных между собой атомов углерода толщиной всего в один атом – так называемый графен, который на сегодня считается самым прочным материалом. Поскольку графен прочен и тонок, исследователи уже давно ищут способы, позволяющие контролировать размер его пор. Однако до сих пор эти поиски не увенчались серьезными успехами. Между тем наноразмерный датчик из графена можно было бы интегрировать в существующую кремниевую электронику, современную и недорогую, что позволило бы снизить стоимость секвенирования.

Профессор Ким и его коллеги научились контролировать размер нанопор с помощью электронного пучка современного электронного микроскопа и местного нагрева графена до 1200 градусов Цельсия.

«Это первый случай, когда удалось проконтролировать размер графеновых нанопор, тем более уменьшить его», – объясняет профессор Ким. «Мы одновременно использовали высокотемпературный нагрев и электронный пучок. Эти две технологии не работают одна без другой».

Изображения нанопор в графене, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа.
Первоначальная пора слева значительно увеличивается под воздействием электронного пучка.
Пора справа – результат воздействия нагрева при 800°C в течение четырех минут. Поры могут как
уменьшаться, так и увеличиваться в зависимости от температуры и облучения электронным пучком.
(Фото: University of Texas at Dallas)

Теперь, когда ученые знают, что размер пор можно контролировать, следующим шагом в их исследованиях будет создание прототипа устройства.

«Если мы сможем дешево секвенировать ДНК, возможности профилактики заболеваний, их диагностики и лечения станут безграничными», – считает профессор Ким. «Контроль над размером графеновых пор делает нас на шаг ближе к реализации этих возможностей».

Аннотация к статье

In situ studies on the shrinkage and expansion of graphene nanopores under electron beam irradiation at temperatures in the range of 400–1200°C