В статье, опубликованной в журнала Nature,
исследователи из Гарвардского университета и Массачусетского
Технологического института показали новые возможности использования
однослойных листов графена в качестве уникальных управляемых мембран
Графен является одним из наиболее интересных объектов для
современного материаловедения. Этот материал, представляющий собой
одиночные слои графита толщиной в один атом, обладает целым набором
уникальных свойств, определяющих широкий спектр его возомжных
применений: чрезвычайной прочностью, высокой электропроводностью вдоль
листа, прозрачностью, интересными квантовыми эффектами. В Гарвардском
университете показали, что графен можно использовать и в качестве
тончайших управляемых мембран.
Проделав небольшое отверстие диаметром в несколько нанометров в слое
графена, ученые измеряли ионный обмен иона двумя резервуарами,
разделенными листом материала. Оказалось, что длинную молекулу ДНК можно
«продернуть» через нанопору, как нитку через игольное ушко.
Интересно, что слой графена, непроницаемый для тех или иных ионов и
молекул воды, может притягивать различные ионы, изменяя тем самым свою
проводимость. Таким образом, мы имеем дело с новым химическим
сенсором», — говорит один из соавторов исследования Евгений Головченко
(Jene Golovchenko), профессор прикладной физики в Гарвардском
университете, один из ведущих ученых в области твердотельных мембранных
материалов с искусственными порами, — «Мне кажется, что слои графена,
обладающие исчезающе малой толщиной, можно рассматривать в качестве
новых электрических приборов, которые смогут открыть новые горизонты в
исследованиях физики и химии поверхности, а также привести к созданию
совершенно новых приложений, включая химические наносенсоры и управление
движением одиночных молекул».
Ведущий автор исследования — Славен Гарай (Slaven Garaj), научный
сотрудник департамента физики в Гарварде. Исследователи использовали
разработанный ими способ выращивания больших однородных листов графена.
Их растягивали на кремниевой основе и вставляли между двумя
резервуарами, заполненными жидкостью. Электрическое напряжение,
приложенное к резервуарам, обеспечивало движение ионов (электрический
ток) в установке при наличии нанопоры в графене. Если добавить в один из
сосудов молекулы ДНК, они растягиваются в жидкости вдоль направления
электрического тока и проходят одна за одной через пору. В процессе
перехода ДНК из одного резервуара в другой, движение ионов через пору
блокируется, что приводит к формированию характерного электрического
сигнала, по форме и продолжительности которого можно судить о размере и
конформации молекулы ДНК.
Еще один соавтор работы, Даниэл Брентон (Daniel Branton), профессор
биологии в Гарвардском университете, предположил, что полученные
мембраны можно использовать для быстрого чтения генетического кода.
Уникальность графена, используемого для этой цели, заключается в том,
что его малая толщина позволяет различать сигналы от двух
последовательных нуклеотидов, проходящих через мембрану. Основная
сложность применения метода заключается на сегодня в контроле скорости, с
которой молекула ДНК проходит через нанопору. Доработка предложенного
подхода может привести к созданию нового, точного, быстрого и весьма
недорогого метода чтения генетического кода, что, в свою очередь, станет
еще одним шагом к «персонализованной» медицине будущего.
© Ph