Optimización de la translocación de ADN en nanoporos de estado sólido para mejorar la precisión del secuenciamiento

Resumen

En comparación con los nanoporos biológicos, los nanoporos de estado sólido aún enfrentan varios desafíos antes de poder aplicarse en el secuenciamiento comercial de ADN. La baja resolución espacial y temporal son los dos obstáculos principales. Debido a las restricciones en la longitud del nanoporo y las propiedades de superficie de los nanoporos de estado sólido, aún hay margen para mejorar la resolución espacial. Por otra parte, la translocación del ADN es demasiado rápida bajo la fuerza eléctrica, lo que resulta en la adquisición de pocos puntos de datos válidos. La resolución temporal de los nanoporos de estado sólido podría mejorarse si se controla adecuadamente la velocidad de translocación del ADN. En esta mini-revisión, resumimos brevemente los métodos para mejorar la resolución espacial y nos centramos en los métodos controlables para promover la resolución de la detección por nanoporo. Además, proporcionamos una perspectiva sobre el desarrollo del secuenciamiento de ADN mediante nanoporos.

Introducción

En las últimas décadas, se ha avanzado mucho en la aplicación del secuenciamiento de ADN para leer las secuencias de bases en el genoma. Para desarrollar medicamentos personalizados, los investigadores buscan un método de secuenciamiento de ADN más rápido y económico, donde los fármacos y tratamientos médicos puedan aplicarse específicamente a un individuo. Desde que la tecnología de nanoporos se utilizó en la detección de ADN, se consideró un método efectivo para el secuenciamiento de próxima generación. La tecnología de nanoporos es una plataforma prometedora para identificar detectores de una sola molécula altamente sensibles para ADN o ARN. En el esquema de detección básico, una cámara electroquímica se separa en dos reservorios (compartimentos cis y trans) por una membrana delgada con un nanoporo, que conecta la solución conductora y el analito en la cámara electroquímica. Al aplicar un voltaje a través de la membrana, los iones del electrolito fluyen a través del nanoporo de estado sólido y forman una corriente de poro, que se mide usando una configuración de patch clamp con electrónica ultra-sensible asociada. Cuando una molécula o complejo molecular pasa a través del nanoporo, el analito puede excluir algunos iones del volumen definido por el nanoporo, lo que puede detectarse monitoreando breves cambios en la corriente. A partir del tiempo de residencia (tiempo de permanencia) dentro del nanoporo y la firma de amplitud de corriente, se puede obtener información sobre las moléculas. La resolución espacial del secuenciamiento por nanoporo está determinada por las dimensiones del nanoporo, lo que sugiere que puede usarse como un solo sensor para objetos moleculares pequeños, resultando en una firma de corriente detectable. Además, los sensores de nanoporo son fáciles de integrar en dispositivos de laboratorio en un chip altamente portátiles y miniaturizables.

Se ha logrado un progreso significativo en el secuenciamiento de ADN por nanoporos, como los nanoporos de estado sólido y los nanoporos de proteína. El secuenciamiento de ADN por nanoporos de proteína se ha logrado. Sin embargo, los sistemas de nanoporos de proteína tienen límites para estudiar moléculas biológicas. Hay menos restricciones con los nanoporos de estado sólido en comparación con los nanoporos biológicos/de proteína. Estas dificultades pueden superarse con los nanoporos de estado sólido. En comparación con los nanoporos de proteína, son funcionales en rangos más amplios de temperaturas, voltajes y condiciones de solvente y pueden ajustarse en diámetro con precisión sub-nanométrica. Son prometedores para su aplicación en tecnología de próxima generación para el secuenciamiento de ADN.

Se han fabricado muchos nanoporos de estado sólido de diferentes materiales y estructuras para sensores de ADN. Sin embargo, el secuenciamiento de ADN no se ha logrado con nanoporos de estado sólido. Para los sensores de nanoporos de estado sólido, es necesario superar dos obstáculos principales, respecto a su resolución espacial y temporal, antes de su aplicación comercial al secuenciamiento de ADN. La dificultad respecto a la resolución espacial es que el nanoporo de estado sólido puede distinguir el pequeño espaciado entre dos nucleótidos vecinos para lograr una resolución de base única. El obstáculo de la resolución temporal es que la translocación del ADN es demasiado rápida bajo una fuerza eléctrica, lo que resulta en la adquisición de muy pocos puntos de datos válidos por los patch clamps existentes u otros sistemas de adquisición de señal. Esta mini-revisión presenta una visión general de los diversos métodos para mejorar la resolución espacial y temporal de la detección de ADN por nanoporos de estado sólido. Esta mini-revisión también se centra más en los métodos para ralentizar la translocación del ADN a través de nanoporos de estado sólido.

Resolución Espacial

En 2001, los nanoporos de estado sólido de nitruro de silicio fueron reportados por primera vez por Li et al. Se han demostrado varios nanoporos de estado sólido para la detección molecular de ADN, como óxido de silicio, silicio, Al₂O₃ y HfO₂. Aunque los nanoporos de estado sólido pueden ser en última instancia robustos a condiciones químicas y mecánicas, tienen algunas limitaciones, como la baja resolución espacial. Debido al grosor de los materiales, docenas de bases pueden pasar por los nanoporos de estado sólido a la vez. Actualmente, el nanoporo de nitruro de silicio más delgado es de 3 nm, lo que aún no distingue los cuatro tipos de bases.

Curiosamente, el grosor de una sola capa de material bidimensional (2D) es de aproximadamente 3.0–11.0 Å, lo que es comparable al espaciado entre dos nucleótidos vecinos a lo largo del ADN monocatenario (3.2–5.2 Å). Las membranas bidimensionales, como el grafeno (3.4 Å), MoS₂ (6.5 Å), WS₂ (7 Å) y h-BN (11 Å), han demostrado detectar translocaciones de ADN debido a su alta relación señal-ruido y resolución espacial. Está claro por su resolución espacial que esos materiales pueden usarse para la detección de ADN. Además, las técnicas de crecimiento reproducibles y los procedimientos de transferencia a gran escala hacen posible fabricar poros sub-nanométricos en membranas 2D a gran escala.

El grafeno es una lámina atómicamente delgada de átomos de carbono dispuestos en una red bidimensional de panal. Los investigadores han demostrado que las moléculas individuales de ADN en solución pueden detectarse y caracterizarse con nanoporos de grafeno. Sin embargo, existen fuertes interacciones hidrofóbicas entre los nucleótidos de ADN y el grafeno, y el ADN obstruirá severamente y se adherirá a los nanoporos de grafeno, lo que afectaría marcadamente la velocidad de translocación. Modificado con grupos hidrofílicos o recubierto con un material hidrofílico en el grafeno, se podría mejorar la hidrofilicidad del grafeno y evitar que el ADN se adhiera a su superficie. Desafortunadamente, tanto la modificación con grupos hidrofílicos como el recubrimiento con materiales hidrofílicos aumentarán el grosor de la película suspendida, lo que conduce al aumento del grosor de los nanoporos, disminuyendo así la resolución espacial del grafeno.

El dicalcogenuro de metal de transición en capas es otro material 2D, que incluye MoS₂ y WS₂. Se detectó una alta relación señal-ruido (SNR > 10) y una mejora de cinco veces de la señal de corriente iónica cuando el ADN translocó a través de la membrana de nanoporo de MoS₂. Mientras tanto, el MoS₂ es hidrofílico, por lo que no se necesita un tratamiento especial de superficie para evitar la interacción hidrofóbica entre el ADN y su superficie. El otro material, WS₂, tiene una banda prohibida directa de 2.1 eV, y su emisión de fotoluminiscencia (PL) es más fuerte que la del bien estudiado MoS₂. Danda et al. fabricaron un nanoporo de WS₂ y demostraron el logro de un tamaño de nanoporo controlado atómicamente usando pulsos de luz cortos, lo que puede tener efectos positivos en los nanoporos de estado sólido para la detección de ADN.

Además, Liu et al. reportaron el primer experimento de translocación de ADN a través de nanoporos de h-BN. Similar al grafeno, el h-BN tiene mala hidrofobicidad, lo que hará que el ADN bloquee los nanoporos. Posteriormente, Zhou et al. mejoraron exitosamente la hidrofobicidad de los nanoporos de h-BN aprovechando la anti-oxidación e integridad del material h-BN después del tratamiento con ozono UV. La naturaleza aislante del h-BN puede exhibir una durabilidad y propiedades aislantes más notables en solución de alta fuerza iónica que en el grafeno. Es un candidato competitivo para lograr una resolución de base única en estructuras de nanoporos super-delgados.

El uso de materiales bidimensionales puede potencialmente aumentar la resolución espacial del dispositivo para lograr una resolución de nucleótido único. Aunque se han reportado experimentos de detección de ADN para varios materiales bidimensionales, nadie ha reportado el logro del secuenciamiento de ADN por nanoporos de estado sólido. La resolución temporal del secuenciamiento por nanoporo también es un desafío.

Resolución Temporal

La velocidad de translocación del ADN a través de un nanoporo de estado sólido es muy rápida, hasta 0.01–1 μs/base, lo que conduce a muy pocos datos efectivos recopilados por los patch clamps comerciales. Como tal, no es posible distinguir cada base basándose en la señal de corriente de bloqueo. Las velocidades de translocación de ADN de nanoporos de estado sólido de materiales 2D, como grafeno, MoS₂, WS₂ y h-BN, se muestran en la Fig. 1. Idealmente, la velocidad de translocación del ADN en un nanoporo debería ser de 1–100 pb/ms para permitir un registro satisfactorio de la señal de cada nucleótido.

Figura 1. Velocidad de translocación de ADN de nanoporos de estado sólido 2D. La línea punteada roja indica una tasa de translocación de ADN de 100 pb/ms.

En este contexto, reducir la velocidad de translocación del ADN es un objetivo importante perseguido por muchos investigadores. Se han desarrollado varios métodos para reducir la velocidad de translocación del ADN y mejorar la resolución temporal de la detección por nanoporos de estado sólido. El método habitual es cambiar la influencia de factores experimentales como la temperatura, la viscosidad del electrolito, el voltaje de arrastre, la concentración iónica y la densidad de carga superficial de un nanoporo, cambiando la translocación del ADN a través de él. Wanunu et al. se centraron en reducir la translocación de ADN bicatenario a través de nanoporos de estado sólido cambiando la temperatura, el voltaje y la longitud del ADN. Además, Feng et al. mostraron que un sistema de gradiente de viscosidad, basado en líquidos iónicos a temperatura ambiente, puede usarse para controlar la dinámica de la translocación de ADN a través de nanoporos de MoS₂, y demostraron que la alta viscosidad de los líquidos iónicos a temperatura ambiente proporciona velocidades óptimas de translocación de un solo nucleótido de 373 pb/ms.

Aunque muchos enfoques tienen el potencial de reducir la velocidad de translocación del ADN y facilitar la detección de corriente iónica, aún no cumplen con los requisitos para el secuenciamiento de ADN. Por lo tanto, es necesario desarrollar métodos más radicales para controlar el paso del ADN a través de los nanoporos. Aquí, discutimos los métodos de control de la estructura del nanoporo y el movimiento cuantitativo del ADN para mejorar la resolución temporal.

Sistema de Dos Nanoporos

Los investigadores han utilizado sistemas de dos nanoporos para manipular las translocaciones de moléculas de ADN, lo que puede detectar controladamente la misma molécula muchas veces. Dos nanoporos apilados, separados por una cavidad del tamaño de un micrómetro, pueden atrapar moléculas de ADN durante un cierto tiempo y liberarlas controladamente. La dinámica de las moléculas de ADN puede deducirse a partir de las señales de los dos poros mediante análisis de correlación, lo que proporciona una prueba eléctrica directa de la translocación. Además, debido a las barreras de entropía del sistema de nanoporo de dos capas, el movimiento browniano de las moléculas de ADN puede confinarse, lo que puede mejorar la precisión del secuenciamiento de ADN con nanoporos. En comparación con las técnicas de detección de una sola molécula, las moléculas de ADN pueden medirse múltiples veces en sistemas de nanoporos de dos capas al disponer en serie múltiples poros en lugar de pasarlos de ida y vuelta a través de un solo poro.

Figura 2. a) Esquema del sistema de nanoporos de dos capas usado para detección de ADN por nanoporo. b) Esquema del sistema de doble nanoporo usado para detección de ADN por nanoporo.

Los sistemas de doble nanoporo proporcionan otro método para controlar el transporte molecular y conectar eficientemente moléculas entre dos poros; son un enfoque mecánico libre de etiquetas para la manipulación de ADN. En un sistema de doble nanoporo, hay dos nanoporos adyacentes e independientemente direccionables dentro de la misma membrana de estado sólido. Durante el paso impulsado electroforéticamente de una molécula de ADN a través de uno de los nanoporos, una sola molécula de ADN puede ser capturada en ambos poros, lo que lleva a un "tira y afloja" entre los dos nanoporos. Por lo tanto, se aplican fuerzas a los diferentes extremos de una molécula de ADN, lo que reduce su velocidad e incluso detiene completamente su movimiento. El sistema de doble nanoporo abre un nuevo camino para el atrapamiento mecánico de ADN en nanoporos de estado sólido, y es una técnica prometedora para medir una amplia gama de biomoléculas con las ventajas de ser libre de etiquetas, tener una alta relación señal-ruido y bajo costo. Puede confinar y atrapar eficientemente las moléculas de ADN para reducir la translocación del ADN y también puede usarse para estudiar la física de este tira y afloja a nanoescala en el ADN.

Nanoporo de Trampa Óptica

Los nanoporos de trampa óptica permiten que las pinzas ópticas atrapen partículas de menos de decenas de nanómetros de tamaño. Hace posible el atrapamiento óptico de proteínas, fragmentos de ADN y otras biomoléculas, así como virus pequeños. La teoría básica detrás de los nanoporos de trampa óptica es una trampa óptica de retroacción autoinducida. El haz láser enfocado en la región del array de nanoporos formará un campo de luz local de alta densidad de potencia en el borde de la capa metálica en el orificio. A medida que una partícula se mueve entre el campo de luz local, puede causar un gran cambio en la transmisión óptica local, lo que a su vez producirá una gran fuerza óptica y dieléctrica en la partícula. Una estructura de doble nanoagujero se usa para romper el cuello de botella del tamaño de las partículas capturadas. Muhammad et al. demostraron el uso potencial de nanoporos de trampa óptica con nanopartículas de sílice y Au de 20 nm. La forma de mancuerna del doble nanoagujero se fresó en la película de Au, y un nanoporo de 25 nm se perforó a través de la membrana suspendida de SiₓNᵧ en el medio del doble nanoagujero. La fuerza electroforética que impulsa las nanopartículas a través del nanoporo, al pasar por el borde del orificio, la fuerza plasmónica de retroacción autoinducida existente entre las puntas del doble nanoagujero se opuso a la fuerza electroforética, reduciendo la velocidad de las nanopartículas. Los resultados mostraron que el atrapamiento óptico extendió el tiempo de translocación electroforética en cuatro órdenes de magnitud. Kim et al. realizaron la captura óptica de ADN plasmídico y ADN lambda usando las nanoestructuras plasmónicas de nanoporos únicos. La tecnología tiene aplicaciones potenciales para la detección de ADN y se pueden configurar múltiples campos de luz local para realizar detección en paralelo. Sin embargo, la oscilación de corriente iónica de alta frecuencia puede afectar los resultados de detección de corriente de ADN. Esto puede deberse a la competencia entre las fuerzas electroforéticas y de retroacción autoinducida que hacen que las nanopartículas floten arriba y abajo a través de la boca del nanoporo.

Figura 3. a) Esquema del chip de nanoporo de trampa óptica. b) Esquema del sistema de retroacción autoinducida.

Pinzas Ópticas

Las pinzas ópticas pueden usarse para controlar la translocación molecular a través de nanoporos y se han usado comúnmente en años recientes. En 2006, Keyser et al. demostraron por primera vez un tira y afloja molecular entre fuerzas electroforéticas y mecánicas al aplicar pinzas ópticas para controlar la translocación de ADN a través de nanoporos de SiNₓ. Este sistema actúa como un resorte de Hooke simple, y la fuerza de tensión en la partícula puede calcularse basándose en la ley de Hooke: F_ot = -k_trap Z, donde F_ot es la fuerza óptica, k_trap es la rigidez de la trampa a lo largo de la dirección de desplazamiento, y Z es la deformación lineal de la partícula. El método de pinzas ópticas, que atrapa una partícula de poliestireno unida a ADN en el cruce de un haz láser enfocado, puede manipular la partícula de poliestireno unida a ADN en tres dimensiones y tiene una sensibilidad de fuerza en el rango de pico-newton. Para atrapar el ADN translocando dentro del nanoporo, la fuerza de tensión se ajustó para equilibrar la fuerza del campo eléctrico (F_el) en el ADN. Por lo tanto, la tensión puede usarse tanto para reducir la velocidad de translocación del ADN como para sacar la molécula de ADN de un nanoporo. Este sistema permite el muestreo espacial simultáneo y mediciones de fuerza de alta resolución de ácidos nucleicos y proteínas, lo que ha logrado un progreso significativo en el secuenciamiento de ADN. Sin embargo, la técnica de pinzas ópticas sufre varias dificultades fundamentales. Primero, es difícil escalar a un gran número de nanoporos. Segundo, el calentamiento causado por el láser en las pinzas ópticas afecta fuertemente la corriente iónica a través de un nanoporo y el nivel de ruido, requiriendo que la partícula atrapada ópticamente esté a varios micrómetros del nanoporo.

Figura 4. a) Esquema de pinzas ópticas usadas para detección de ADN por nanoporo. Cuando el sistema de pinzas ópticas está en equilibrio, la fuerza óptica (F_ot) es igual a la fuerza del campo eléctrico (F_el). b) Esquema de pinzas magnéticas usadas para detección de ADN por nanoporo. Cuando el sistema de pinzas magnéticas está en equilibrio, la fuerza magnética (F_Mt) es igual a la fuerza del campo eléctrico (F_el). c) Esquema de AFM usado para detección de ADN por nanoporo. d) Esquema de TFFS usado para detección de ADN por nanoporo.

Pinzas Magnéticas

Las pinzas magnéticas proporcionan otra forma de controlar la translocación de ADN por fuerza de tensión, y se ha demostrado que la técnica de pinzas magnéticas es efectiva para reducir la translocación de ADN. En este sistema, las moléculas de ADN pueden unirse a una partícula magnética de tamaño micrométrico usando interacción fuerte oro-tiol o estreptavidina-biotina. Luego, el extremo libre del ADN puede ser capturado en el nanoporo por un campo eléctrico aplicado. Posteriormente, dos imanes con un pequeño espacio pueden usarse para crear un gradiente de campo magnético. Esta técnica puede equilibrar la fuerza eléctrica en el ADN atrapado para reducir las velocidades de translocación e incluso revertir la electroforesis. En comparación con las pinzas ópticas, las pinzas magnéticas son un candidato prometedor para la espectroscopía de fuerza masivamente paralela. En este sistema, cientos de partículas y, por lo tanto, moléculas de ADN pueden controlarse simultáneamente dentro de cientos de nanoporos, lo que es fácilmente escalable a muchos nanoporos direccionables. Esto puede acelerar el proceso analítico en órdenes de magnitud. Sin embargo, en comparación con las pinzas ópticas, una desventaja obvia del enfoque de pinzas magnéticas es la falta de control tridimensional de las moléculas.

Sonda de Detección de Fuerza

Aunque se ha avanzado significativamente en el control de la velocidad de translocación del ADN por pinzas ópticas y magnéticas, los métodos de atrapamiento de partículas tienen un problema con el movimiento browniano que dificulta controlar el movimiento de la partícula con menos de 10 nm de resolución. Para superar esto, se ha usado AFM para controlar la velocidad de translocación del ADN, y también puede medir simultáneamente la fuerza y la corriente de bloqueo. En un estudio usando este sistema, el ADN se unió a la punta de una sonda AFM, y luego se sujetó en el porta-sondas. Al controlar el movimiento de la sonda, la translocación del ADN podía controlarse para reducir su velocidad e incluso revertir la electroforesis. Además, al retraer la punta a una altura sobre la superficie correspondiente a la longitud de la molécula, las mediciones pueden repetirse. Con la ayuda de AFM, la detección de ADN ha avanzado en la práctica y la teoría porque la resolución de detección puede mejorar enormemente por las señales combinadas de corriente de bloqueo y mediciones de fuerza AFM. Sin embargo, aún hay un obstáculo en la aplicación de técnicas de nanoporo en la detección de ADN, a saber, la ocurrencia intermitente de fluctuaciones regulares en la fuerza (y la corriente) cada 0.35–0.72 nm cuando una molécula de ADN se desliza de manera relativamente libre de fricción a través de un nanoporo. Estas fluctuaciones se atribuyen a nucleótidos individuales que se traducen a través del nanoporo en un movimiento tipo torno.

Los estudios han demostrado que un diapasón, que puede usarse como sensor de detección de fuerza, puede controlar el ADN para que pase a través de un nanoporo a una tasa sub-nanométrica. En un estudio usando este aparato integrado, una molécula de ADN se unió a una punta de sonda que se pegó a una horquilla de un diapasón. Un sistema de nano-posicionamiento, que posee precisión sub-nanométrica, se usó para sostener el diapasón. La posición de la punta de la sonda puede ser detectada por el sensor de fuerza basado en retroacción de diapasón y controlada manipulando el sistema de posicionamiento nanométrico. Esta velocidad de movimiento es 10 veces más lenta que la del ADN manipulado por pinzas ópticas y 1000 veces más lenta que el ADN que pasa libremente a través de nanoporos de estado sólido. En comparación con el AFM convencional, un diapasón puede proporcionar un movimiento de escaneo más rápido y posee alta sensibilidad de fuerza cuando se sumerge en líquido. Al incorporar TFFS con un nanoporo, la corriente iónica a través de un nanoporo, la posición de la punta y la amplitud vibracional de la punta pueden medirse simultáneamente durante el paso de una molécula de ADN a través del nanoporo.

Sonda de Silicio

Todos los métodos anteriores, es decir, pinzas magnéticas, pinzas ópticas, AFM y TFFS, necesitan escanear la posición del nanoporo. Tienen que localizar el nanoporo dentro de la longitud efectiva del ADN para asegurar que el ADN pueda pasar a través del nanoporo. La direccionamiento de nanoporos es una parte importante de estos métodos pero es difícil. Investigadores conectaron ADN a una gran superficie de una sonda de silicio, más grande que el área del chip, lo que significaba que podían insertar fácilmente el ADN inmovilizado en un nanoporo sin escanear la ubicación del nanoporo en la membrana. Se ha demostrado la factibilidad de usar una sonda de Si con ADN inmovilizado y controlador de posición para controlar el movimiento del ADN dentro y fuera de los nanoporos. La dificultad de este método es que la sonda de Si se sumerge en la solución y se conecta al ADN por acoplamiento peptídico. La densidad de ADN en la superficie de la sonda es difícil de controlar, por lo que es probable que ocurra el paso de múltiples ADN a través de un nanoporo al mismo tiempo, afectando la corriente de detección.

Figura 5. Esquema del sistema de sonda de Si con ADN inmovilizado usado para detección de ADN por nanoporo.

Las pinzas ópticas, pinzas magnéticas, microscopía de fuerza atómica (AFM) y detección de fuerza basada en diapasón (TFFS) pueden detectar las fuerzas y posición reales de la molécula en el nanoporo, lo que es prometedor para controlar el paso del ADN a través de nanoporos con velocidad apropiada. La dificultad de direccionamiento de nanoporos se evita usando una sonda de Si. Además, el uso de un sistema de dos nanoporos es un método factible para controlar y reducir el paso del ADN a través de nanoporos. Además, un nanoporo de trampa óptica tiene potencial para la detección de ADN en el futuro. Aquí, resumimos la velocidad de translocación de ADN de un nanoporo de estado sólido integrado con algunos métodos de control de ADN, como sistema de dos nanoporos, nanoporo de trampa óptica, pinzas ópticas, pinzas magnéticas, AFM, TFFS y sonda de Si (Tabla 1).

Conclusiones

Los materiales 2D de monocapa, como grafeno, MoS₂, WS₂ y h-BN, son posiblemente los materiales más delgados alcanzables, ya que son tan gruesos como el espaciado entre los nucleótidos. En comparación con las membranas tradicionales de nanoporos de estado sólido, las membranas 2D de monocapa son ideales para dispositivos de nanoporo, ya que exhiben una alta relación señal-ruido de corriente iónica y regiones de detección relativamente grandes. Son potencialmente elegibles para realizar el secuenciamiento de ADN combinándolas con pinzas ópticas, pinzas magnéticas, AFM, TFFS, sonda de Si, sistema de dos nanoporos o nanoporo de trampa óptica. Sin embargo, con estas técnicas, han surgido varios desafíos que deben resolverse antes de la comercialización del secuenciamiento de ADN por nanoporo. El primero ocurre cuando las partículas o puntas de sonda están cerca de un nanoporo, cuando es más difícil discriminar nucleótidos de ADN con señales de corriente iónica. Se deben usar asas moleculares u otras moléculas más largas para agregar la longitud de una hebra de ADN que pueda compensar el efecto en la señal de corriente provocado por partículas o puntas. Segundo, se deben usar arrays de nanoporos para lograr detección de alto rendimiento y paralela, pero la tecnología de detección paralela actualmente no es lo suficientemente madura. Tercero, según los métodos de fabricación actuales, es difícil fabricar un sistema de dos nanoporos y un sistema de nanoporo de trampa óptica con alta precisión y reproducibilidad, lo cual es muy significativo para la detección de ADN por nanoporo. Un haz de iones de helio puede ser la tecnología clave para resolver este problema. Por lo tanto, esperamos que el secuenciamiento de ADN por nanoporo continúe siendo un foco de investigación y pueda integrarse con más ideas nuevas y enfoques innovadores para lograr tasas de error bajas, grabación rápida y de alta paralela, y longitudes de lectura de hasta 100 kilobases.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio están incluidos en este artículo publicado.

Abreviaturas

2D:

Bidimensional

3D:

Materiales tridimensionales

TMDs:

Dicalcogenuro de metal de transición en capas

SNR:

Relación señal-ruido

PL:

Fotoluminiscencia

SIBA:

Retroacción autoinducida

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

TFFS:

Detección de fuerza basada en diapasón