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The development of a diamond-based nanopore sensor for the detection and identification of DNA

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Diamanten als bester Freund der Nanopore

Spezifische DNA-Moleküle lassen sich einzeln analysieren, indem DNA durch eine Pore geführt wird. Im Rahmen eines EU-finanzierten Projekts wurde nun eine effektivere Nanoporentechnologie mit synthetischen Diamanten entwickelt.

Gesellschaft
Grundlagenforschung

Ein Sensor, der in der Lage ist, Veränderungen an der DNA zu erkennen, ist für die Medizin wichtig, aber um Informationen über die DNA zu erforschen, ist eine Technologie erforderlich, die den Zugang zu einem einzelnen Molekül ermöglicht. Das von der EU finanzierte BIONANODIAMOND-Team an der Warwick University, Vereinigtes Königreich, hat auf der Grundlage von Porentechnologie eine synthetische diamantbasierte Plattform für die DNA-Erkennung entwickelt.   „Porentechnologie kann nützlich sein, denn wenn die Pore klein genug ist, lässt sich ein einzelnes DNA-Molekül durch die Pore ziehen und es lassen sich Messungen der einzelnen Moleküle machen“, sagt Julie Macpherson, Professorin für Chemie an der Universität Warwick.   Die Schwierigkeit besteht darin, Löcher im Submikrometerbereich herzustellen, die häufig nur größer als ein paar Atome und viel kleiner als ein menschliches Haar sind. In früheren Forschungen von Teammitgliedern wurden winzige Metalldrähte zu einer scharfen Spitze geätzt und in Glas versiegelt. Der Metalldraht wurde dann aufgelöst, wobei ein Loch zurückblieb. Da das Loch immer noch zu groß ist, um molekulare Einzelteilchen zu kanalisieren, wurde ein porenbildendes Protein in einer Lipiddoppelschicht suspendiert, die das Loch überspannt.   Projektforscher Robert Johnson beschreibt dies als eine „Proteinpore in einer Glaspore.“   „Wenn die sieben Bausteine des Proteins auf die Lipid-Doppelschicht auftreffen, ordnen sie sich zu einem offenen Kanal an - einem winzigen Loch mit einem bekannten Durchmesser, der die Lipid-Doppelschicht umfasst“, so Dr. Johnson. „Das DNA-Molekül bricht innerhalb der Poren von Nanometer-Dimensionen auseinander. Sobald sich die DNA in der Pore befindet, werden Ionen verschoben, was zu einer Veränderung des elektrischen Stroms führt. Diese aktuelle Veränderung sagt uns indirekt etwas über die Struktur der DNA und auf diese Weise funktioniert die Pore als Sensor.“   „Man sieht Dinge, die man in einer industriellen Mengenmessung nicht sehen kann“, fügt er hinzu. Damit könne die Nanopore zur Untersuchung von Veränderungen an der DNA-Struktur verwendet werden, die zu Krankheiten führen kann, als nur DNA zu identifizieren, die mit einer bestimmten Krankheit zusammenhängt.   Eine robustere Plattform   Um auf eine robustere kommerzielle DNA-Sensorvorrichtung hinzuarbeiten, baute das Projektteam auf dieser Porenforschung auf, um eine Festkörper-Diamantpore zu entwickeln.   „Anstatt ein biologisches System zu verwenden, um dieses kleinste Loch herzustellen, haben wir dies in einem festen Material gemacht. Daraus ist eine synthetische Diamantplattform hervorgegangen, deren Ziel ein DNA-Sensor ist“, sagt Prof. Macpherson. „Für ein kommerzielles Gerät müssen Sie regelmäßig viele Poren gleichzeitig herstellen, deshalb muss das Material robust sein und bei jeder Pore die gleiche Geometrie aufweisen. Synthetischer Diamant eignet sich zur Massenherstellung. Außerdem reagiert Diamant nicht auf seine Umgebung und verändert auch seine Größe nicht. Außerdem kann eine Diamantpore leicht gereinigt werden.“   Darüber hinaus erleichtern die hervorragenden elektrischen Eigenschaften von Diamant schnelle, geräuscharme Strom/Zeitmessungen, so dass dynamische Ereignisse schneller erkannt werden können.   Erstmalige Verwendung von Diamant   Das Team hat das Konzept eines Diamant-Nanopore-Sensors patentiert. „Durch dieses Projekt haben wir zum ersten gezeigt, dass dies mithilfe eine Diamantplattform möglich ist“, erklärt Prof. Macpherson.   Die Poren können unter Verwendung einer Kombination von Lasermikrobearbeitung zur Bildung einer Einkristall-Diamantmembran und Elektronenstrahl-induziertem Ätzen zur Erzeugung der Pore hergestellt werden.   „Die gleichen Ätztechniken, die zur Herstellung von Bauteilen bei Silizium-Chip-Prozessen verwendet werden, können auch bei Diamant verwendet werden. Dies bietet die Möglichkeit, auf eine zukünftige kommerzielle Fertigung hochzuskalieren“, fasst Prof. Macpherson abschließend zusammen.

Schlüsselbegriffe

BIONANODIAMOND, DNA, Genetik, Nanotechnologie, Diamant, Sensor, Krankheit

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