Goedkoper en nauwkeuriger DNA-codes uitlezen
NWO-subsidie beeld: Amedeo Bellunato
Sneller, goedkoper en nauwkeuriger DNA-codes ontrafelen. Met een nieuwe methode, met behulp van grafeen, moet dat kunnen volgens Leidse natuur- en scheikundigen. Zij krijgen ruim 1.2 miljoen euro vanuit het Open Technologieprogramma van NWO om hun nieuwe techniek te bewijzen.
Bij het ontwikkelen van de nieuwe methode om DNA-codes uit te lezen, speelt een eerdere Leidse ontdekking een grote rol. Onderzoeksgroepen van scheikundige Grégory Schneider en natuurkundige Jan van Ruitenbeek slaagden erin om een elektrische stroom over te laten springen tussen twee lagen grafeen, elk één atoom dik. Ze brachten de twee lagen zo dichtbij elkaar in een bepaalde hoek dat tunneling optrad. Dit is een quantum mechanisch verschijnsel waarbij elektronen overspringen van het ene naar het andere materiaal zonder dat er direct contact is.
Hoe werkt het?
Als je die twee lagen wat verder uit elkaar haalt, treedt tunneling bijna niet op. ‘Tenzij er een klein object, zoals een molecuul, tussen de twee lagen doorgaat’, legt Schneider uit. ‘Dan gaat de tunneling aan en kunnen eigenschappen van het molecuul worden uitgelezen.’
Hoe werkt dat? Deze manier van DNA-sequencing – de volgorde van nucleotiden in het DNA vaststellen - is gevoelig voor de elektronische eigenschappen van nucleotiden. Ruitenbeek: ‘DNA bestaat uit vier nucleotiden, die worden afgekort met de letters ATGC. Als een DNA-streng tussen het grafeen doorgaat denken we met deze methode elk van de afzonderlijke nucleotides te kunnen herkennen aan de sterkte van de stroom op het moment dat een specifieke nucleotide passeert.’ Op die manier is dan de DNA-code af te lezen.
Demonstreren dat het kan
Als de nieuwe methode werkt, is die nauwkeuriger dan andere DNA-sequencing methodes. Zo is de uitlezing van DNA-sequentie bij een veelgebruikte methode met behulp van nano-porien alleen gevoelig voor de verschillen in grootte van de bouwstenen van het molecuul. Gaan er tegelijkertijd twee bouwstenen met dezelfde grootte, maar met een andere chemische samenstelling, door een meetpunt dan geven ze hetzelfde signaal. Schneider: ‘We verwachten dat wij met onze tunnelingmethode verschillende signalen kunnen meten.’
De natuur- en scheikundigen hebben goede ideeën hoe ze moleculen tussen het grafeen door willen gidsen, maar ze moeten nog demonstreren dat die ook echt mogelijk zijn. Daarnaast willen ze ook nog bewijzen dat ze goed onderscheid kunnen maken tussen de vier nucleotiden in hun metingen. Dankzij deze financiering kunnen ze dat nu gaan onderzoeken.
Van ziektes tot beschermde dieren
Ze verwachten dat deze methode nauwkeuriger is dan andere technieken, waardoor die ook door een bredere groep van wetenschappers en andere professionals in is te zetten voor DNA-sequencing en de detectie van afzonderlijke moleculen in het algemeen. Denk bijvoorbeeld aan onderzoek naar verschillende ziektes. Maar er is ook interesse vanuit de douane op het vliegveld. Als zij snel willen weten of iemand een beschermde dier-of plantensoort meeneemt, zouden ze dat hiermee kunnen testen. De techniek kan ook worden gebruikt om bepaalde moleculen te kunnen detecteren in bijvoorbeeld een container waarin voedsel wordt vervoerd. Zo kan snel worden gemeten of een gas vrijkomt dat het voedsel sneller laat bederven. Schneider: ‘Je kunt het gebruiken op elke plek waar je een bepaald molecuul moet detecteren bij een zeer lage concentratie, tot een enkel molecuul.’