Plataforma de detección de nanoporos propicia tecnologías de secuenciación de ADN en estado sólido sin etiquetas

Los sensores de nanoporos son dispositivos extremadamente pequeños diseñados para detectar y examinar moléculas individuales mediante el monitoreo de los cambios iónicos a medida que estas moléculas se mueven a través de poros a escala nanométrica. Estos sensores se dividen en dos categorías: los construidos a partir de sustancias biológicas y los fabricados con materiales inorgánicos de estado sólido. La secuenciación de ADN que utiliza nanoporos biológicos ya está disponible en el mercado. Sin embargo, los nanoporos de estado sólido, compatibles con la fabricación a escala de obleas, presentan una gran ventaja para la secuenciación a gran escala y rentable debido a su capacidad de producción en masa. El principal obstáculo para lograr la secuenciación de nanoporos de estado sólido radica en el desarrollo de un sensor con la precisión necesaria para detectar cada base de ADN a medida que pasa a través del poro y para capturar con precisión la señal eléctrica asociada a este movimiento. A finales de la década de 2000, IBM introdujo el concepto de transistores de ADN. Estos dispositivos se concibieron como estructuras en capas de metal-dieléctrico con trampas electrostáticas que permitirían tanto el movimiento como la detección controlados del ADN. Sin embargo, esta idea nunca se implementó en la práctica debido a las dificultades técnicas para fabricar capas metálicas ultrafinas encapsuladas dentro de materiales dieléctricos utilizando estructuras 3D.

Ahora, investigadores de La Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign (Urbana, IL, EUA) han desarrollado una innovadora plataforma de detección de nanoporos que permite la detección de biomoléculas individuales. Su trabajo, publicado en PNAS, acerca las tecnologías de secuenciación de ADN sin etiquetas y de estado sólido a su uso práctico, lo que podría transformar la medicina de precisión. Al desarrollar la tecnología, el equipo abordó las barreras asociadas con los biosensores 3D. Los materiales 3D ultrafinos convencionales a menudo tienen superficies irregulares y enlaces colgantes que degradan el rendimiento eléctrico y la sensibilidad. El equipo determinó que estos problemas podrían evitarse recurriendo a materiales 2D como el disulfuro de molibdeno y el diseleniuro de tungsteno, que existen de forma natural en formas de una sola capa libres de enlaces colgantes. Al incorporar una heteroestructura 2D en la membrana de nanoporos, los investigadores crearon un diodo fuera del plano a escala nanométrica que permite que las moléculas de ADN lo atraviesen. Esta innovadora arquitectura permitió la medición en tiempo real de los cambios de corriente a través del diodo durante el paso del ADN y al mismo tiempo aplicó un voltaje fuera del plano para regular la velocidad del ADN a medida que se transloca.

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Aunque el desarrollo de esta nueva plataforma de detección llevó años, promete impulsar la medicina de precisión. Recopilar información genómica de miles de millones de personas para crear estrategias de tratamiento personalizadas requerirá soluciones de secuenciación rápidas, fiables y económicas, capacidades demostradas por este estudio. El enfoque desarrollado por el equipo también podría reducir los costes de secuenciación diez veces en comparación con los métodos existentes. De cara al futuro, los investigadores aspiran a crear matrices con millones de estas unidades de nanoporos de diodo 2D para permitir la secuenciación paralela de ADN, reduciendo potencialmente el tiempo de secuenciación de dos semanas a tan solo una hora. El equipo también planea perfeccionar su diseño en próximos estudios mediante la introducción de capas alternas de monocapas 2D de tipo p y tipo n para ir más allá de la unión pn única utilizada en la versión actual. Mediante la implementación de una pila de tres capas que intercala una capa de tipo n entre dos capas de tipo p, buscan generar campos eléctricos opuestos que puedan estirar la cadena de ADN. Este avance marcaría un paso crucial hacia el control base a base de la translocación del ADN.

“Hemos utilizado estos nuevos materiales para finalmente hacer realidad un sueño de décadas: la comunidad de nanoporos, que antes era imposible”, afirmó Arend van der Zande, profesor de ciencias mecánicas e ingeniería y de ciencias de los materiales e ingeniería. “Este trabajo representa un paso importante hacia el control molecular base por base y abre las puertas a tecnologías de secuenciación de ADN más avanzadas”.

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La Facultad de Ingeniería Grainger