داستان توسعه نانوحفره‌ها برای توالی‌یابی DNA

نانوحفره‌های بیومیمتیک دیمر از زمانی که ایده استفاده از آنها مطرح شده تا کنون، توالی‌یابی DNA را دگرگون کرده‌اند. اکنون، درموت مارتین داستان نانوحفره‌ها را وارد فصل جدیدی کرده است، او به دنبال استفاده از این فناوری در حوزه‌های مختلف نظیر  پزشکی شخصی‌سازی‌شده، است.

این روش جدید بی‌نیاز از تمام تجهیزات گران‌قیمت مورد نیاز برای ساخت و استفاده از نانوحفره های حالت  جامد است.

در سال 1989، دیوید دیمر، مهندس زیستی، پس از ارائه یک سخنرانی، در حال رانندگی به خانه از یوجین، اورگان، بود که ایده به ذهنش رسید. او خودرو را کنار جاده متوقف کرد و طرحی کلی با جوهر قرمز روی دفترش ترسیم کرد. این طرح به تغییر سیستم‌های نقشه برداری DNA کمک می‌کند و دری به روی پزشکی شخصی‌سازی می‌گشاید. دیوید دیمر روشی برای توالی‌یابی سریع DNA با استفاده از نانوحفره در سر داشت.

ایده ساده‌ای بود. اگر بتوان DNA تک رشته‌ای تحت تأثیر جریان الکتریکی از طریق یک سوراخ کوچک در غشاء عبور داده شود، انسداد موقتی ناشی از بازهای DNA  (A، T، C، G) اجازه خواندن کل توالی پایه را می‌دهد.

در آن زمان، تعیین توالی اسید نوکلئیک فقط با استفاده از کروماتوگرافی دو بعدی آهسته و پر زحمت امکان پذیر بود. طرح دیوید نقشه راهی برای یک سیستم بهتر بود.

او به یاد می آورد: «این ایده درست به نظر می رسید، با این حال دو سال دیگر گذشت تا این ایده را به همکارم دن برانتون، که از سال 1965 تا 1967 با او در دانشگاه برکلی کار کرده بودم، گفتم. دو سال پس از آن، در سال 1993، برای آزمایش این ایده، با جان کاسیانوویتز در مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا دیدار کردم. او در مورد هموپلیمرهای RNA می دانست و راهی برای تثبیت منافذ همولیزین در دولایه لیپیدی و همچنین نحوه عبور جریان یونی از آن ایجاد کرده بود. ما RNA را به محلول اضافه کردیم و بلافاصله شروع به دیدن مولکول های منفرد کردیم که از منافذ عبور می‌کنند و تمایل به مسدود کردن جریان یونی دارند. یک لحظه! چند ماه بعد، من و دن آزمایش را تکرار کردیم. سپس می دانستیم که تعیین توالی DNA نانوحفره ممکن است به خوبی امکان پذیر باشد.

یک مقاله تاریخی در سال 1996 در آکادمی ملی علوم آمریکا منتشر شد و یک پتنت در سال 1998 در این حوزه به ثبت رسید.

همه موجودات زنده مملو از منافذ هستند. این حفره‌های کوچک در پمپ های یونی وجود دارند که انرژی شیمیایی در سلول‌ها را تولید می‌کنند. نقش آنها حفظ عدم تعادل الکترولیتی برای سیگنال‌دهی عصبی و واسطه انتقال انتخابی زیست‌مولکولی از طریق غشای سلولی است. دو حفره با ساختار زیستی خاص هنوز به طور گسترده برای تحقیقات اولیه در فناوری نانوحفره‌ها استفاده می شوند: آلفا همولیزین (aHL)، حفره‌ای که از سم استافیلوکوکوس اورئوس مشتق شده است، و مایکوباکتریوم اسمگماتیس پورین A (MspA) . اولین آزمایش‌های انتقال DNA با استفاده از حفره aHL انجام شد.

امروزه فناوری توالی سنجی توسعه یافته و تجاری‌سازی نیز شده است. یکی از این دستگاه‌های توالی‌یابی،‌ MinION نام دارد که  توسط شرکت اکسفورد نانوپور (Oxford Nanopore) تولید و عرضه شده است.

برخی از گروه‌های تحقیقاتی، اکنون به مواد جامد به عنوان جایگزینی برای نانوحفره‌های زیستی روی آورده اند. اکنون نانوحفره‌های حالت جامد بر روی غشاهای مصنوعی بسیار نازک ایجاد می‌شوند. در عمل، هر دوی این نوع نانوحفره‌ها (زیستی و حالت جامد) به شیوه‌ای بسیار مشابه عمل می‌کنند، اما طول موثرتر نانوحفره‌های حالت جامد حساسیت فضایی را کاهش می‌دهد در حالی که زیرلایه شیشه‌ای نویز را کاهش می‌دهد.

برخلاف همتایان زیستی خود، نانوحفره‌های حالت جامد قوی و انعطاف پذیر هستند و می توانند به راحتی در سایر دستگاه‌های الکترونیکی حالت جامد ادغام شوند. این ویژگی‌ها می‌توانند آن‌ها را به عنوان گزینه اصلی در توسعه فناوری توالی‌یابی مطرح کند، اما مشکلات عملکردی مرتبط با حساسیت کمتر و کنترل حرکت وجود دارد. مطالعات بیشتر با استفاده از مواد مختلف مانند گرافن، دی سولفید مولیبدن، نیترید سیلیکون (Si3N4) و فسفرن لایه‌ای تک اتمی با هدف رسیدگی به این مسائل انجام شده است.

داستان تهیه و ساخت نانو حفره‌های حالت جامد بسیار جذاب است. تا همین اواخر، نانوحفره های حالت جامد مسطح با استفاده از میکروسکوپ های الکترونی عبوری ساخته می شدند. یک پرتو ذرات زیر اتمی به یک نقطه در مقیاس نانو متمرکز شده و یک سوراخ ایجاد می‌شود. این روش 20 سال است که کار می‌کند، اما می تواند یک فرآیند طولانی و دشوار باشد و مستلزم پشتکار و فداکاری از اپراتورهای مجرب است.