Ich weiß, dass ihr alle treue Leser seid und jedes meiner Worte begierig aufsaugt, daher erkläre ich euch nichts neues, wenn ich sage dass ich mich ja eigentlich mit der Electrical Resistivity Tomography (ERT) befasse. Mit dieser Methode kann man von der Oberfläche in den Boden schauen, indem man für viele Konfigurationen Strom einspeist und an anderer Stelle das elektrische Potential misst. Der elektrische Widerstand den man so findet hängt z.B. vom Material ab, sodass man die Struktur des Bodens herausfinden kann ohne ihn aufzugraben.
Und so lehne ich mich jetzt ein wenig aus dem Fenster wenn ich eine neue Idee zur DNA-Sequenzierung als Nano-DNA bezeichne, aber nicht allzu weit. Man möchte nämlich auch entlang eines DNA-Strang den Widerstand messen und so die Sequenz ermitteln.

Vorgestellt wird die neue Idee und der experimentelle Nachweis der prinzipiellen Funktionsweise von Gregory F. Schneider und seinen Mitstreitern vom Kavli Institute of Nanoscience in Delft auf dem arXiv.

Schneiders Arbeit basiert auf Basen – auf den vier Molekülen die die Buchstaben der DNA bilden. Jedes dieser Moleküle hat etwas andere elektrische Eigenschaften – also ist die Idee, die Kette durch eine Art Scanner zu ziehen und die elektrischen Eigenschaften Molekül für Molekül zu bestimmen. Die Abfolge des elektrischen Widerstands müsste sich dann idealerweise sofort in die DNA-Sequenz übersetzen lassen.
Der Abstand zwischen zwei Basen ist aber mit 0,5 nm sehr gering, sodass solch ein Nanoporen-Tomograph aus normalen Materialien immer mehrere 10 bis 100 Moleküle gleichzeitig sieht. Doch Schneider setzt auf ein Trend-Material: Graphen. Die einatomigen Kohlenstoffschichten sind ein Wunderland physikalischer Effekte – aber bieten hier die Möglichkeit, recht einfach einatomige Schichten herzustellen.

Die Forscher setzen eine von ihnen entwickelte Methode ein, um das Graphen auf Flocken von SiN als stützende Membran zu übertragen. Dann bohren sie mit einem Elektronenstrahl nanokleine Löcher in das Graphen-Gitter, in dem sie einzelne Kohlenstoffatome herausschießen. Den DNA-Strang zieht man dann mit Hilfe von Elektrophorese durch dieses Loch.

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Man sieht klar, dass wenn die DNA hinzugefügt wird, Spitzen auftreten wenn ein Stück DNA durch die Pore zieht. Und die Pore ist so klein, dass nur eine Base gleichzeitig hindurchkann. Prinzipiell sollte man also in der Lage sein, und da brütet Schneider sicherlich bereits drüber, herauszufinden welche Base man dort gerade sieht. Immerhin bietet sich das Potential einer enorm schnellen und günstigen Sequenzierungsmethode!

(via physics arXiv blog)


Kommentare (10)

  1. #1 cydonia
    05/28/2010

    Wann könnte denn diese Methode, realistisch geschätzt, einsatzbereit sein? Gibts da schon Prognosen?

  2. #2 Dr. Glukose
    05/28/2010

    Kleine Korrektur: Der Basenabstand beträgt 0,34nm und nicht 0,5nm.

  3. #3 fatmike182
    05/28/2010

    @ cydonia
    Wenn ich da jetzt nicht grundsätzlich was verwechsle: Nanopore Sequenzing wird seit ca 1995 erforscht & ist schon kommerziel erhältlich http://en.wikipedia.org/wiki/Nanopore_sequencing

  4. #4 Dr. Glukose
    05/28/2010

    Achso, habe gerade im Paper gelesen, dass die 0,5nm für Einzelstränge gemeint sind und nicht für Doppelstränge. Das stimmt natürlich. Soweit ich mich erinenre, ist diese Idee aber nicht neu, da letztes Jahr die Computerfirma IBM damit Aufsehen erregte und eben diese neue Methode der DNA-Sequenzierung ankündigte.

    Die Pressemeldung aus Oktober 09 und dazu ein paar Videos kann man sich hier anschauen: IBM Research Aims to Build Nanoscale DNA Sequencer to Help Drive Down Cost of Personalized Genetic Analysis

  5. #5 Jörg
    05/28/2010

    Ja die Methode existiert, aber eben nur mit Materialien die so groß sind dass sie immer 10-100 Basen auf einmal sehen. Das wird man schon rechnen können, aber ich würde vermuten dass das eine Fehlerquelle ist.

  6. #6 Alexander
    05/28/2010

    Ich habe von dieser Methode mit dem Graphen noch nichts gehört, das scheint neu zu sein. Ich glaube, da handelt es sich eher um einen doppelt vergebenen Namen…
    Das Nanopore Sequencing, das die anderen Kommentatoren hier kennen (und in das sich IBM eingekauft hat) wurde von Oxford Nanopore entwickelt, und ist ein viel biologischerer Ansatz (was den mit Graphen nicht abwerten soll): In eine künstliche Doppellipidschicht (~Membran) sind transmembrane Proteinkanäle eingebaut (Nanoporen). Die Membran steht unter Spannung, und man kann eine Spannungsänderung messen, wenn eine Base durch den Kanal geht.
    Anders als bei dem Ansatz mit Graphen ist außen an dem Kanal jedoch noch eine Exonuklease angebaut, die vom DNA-Strang immer eine Base abknabbert – weil durch den Kanal immer nur eine einzelne Base durchkann.
    Die Idee mit dem Graphen ist hier möglicherweise besser, weil man ganze DNA-Stränge durchziehen kann. Ich werd das sicher weiter beobachten!

  7. #7 fatmike182
    05/28/2010

    @ Jörg, Alexander
    tatsächlich! danke… man soll manchmal nicht nur de Bilder anschauen, sondern auch den Text lesen 😉 *my bad*

  8. #8 Jörg
    05/28/2010

    @Alexander: Nein das stimmt schon mit den Nanoporen, so wird die Methode auch im Paper genannt. Allerdings nichts von dem Trick mit dem abknabbern. Mit Graphen wäre es also vermutlich billiger und schneller.

  9. #9 Alexander
    05/28/2010

    @Jörg: Ja, ich will den Leuten das Wort gar nicht wegnehmen. Andere waren aber mit ‘nanopore sequencing’ schneller. Spätestens wenn die ihre Technologie verkaufen wollen, müssen sie sich wohl nen anderen Namen suchen. Auf der Gegenseite steht schließlich IBM…
    Dass die Graphenmethode schneller und billiger wird, bleibt auch abzuwarten. Momentan sieht es so aus. Vom Grundprinzip im Labor bis zum marktreifen Sequenzierautomaten kann leider noch viel passieren. Von den zwei Technologien der 3. Generation, Oxford Nanopore und Pacific Biosciences SMRT, finde ich SMRT aus biologischer Sicht viel aufregender und vielversprechender. IBM hat sich in die Konkurrenz eingekauft…

  10. #10 Michael
    06/04/2010

    Es ist schon unglaublich, was mit der heutigen Nano-Technik alles machbar ist. Toller Artikel!