Institutionen för fysik och astronomi

Mot en bättre förståelse av brus i nanoporer

Ralph Scheicher. Foto: Camilla Thulin.

Projekttitel: Mot en bättre förståelse av brus i nanoporer
Huvudsökande: Ralph Scheicher, avdelningen för materialteori
Beviljade medel: 3 200 000 SEK för perioden 2017-2021

Projektbeskrivning

Kunskap om en patients fullständiga genetiska kod ger oss möjlighet att uppskatta risker för att denne ska drabbas av vissa sjukdomar. Denna kunskap ger möjlighet att sätta in förebyggande behandling i tid mot sjukdomar och förbättra patientens hälsa. Med underlag från den genetiska koden från många olika individer finns även stora möjligheter att göra statistiska studier och jämförelser, till stor hjälp vid diagnostisering av ärftliga sjukdomar. Idag är kartläggning av det mänskliga genomet, DNA-sekvensering, fortfarande en ganska dyr process. Utvecklingen av metoder där sekvenseringen skulle kunna göras till en bråkdel av kostnaden skulle revolutionera användningen av DNA-sekvensering inom sjukvården. DNA-sekvensering med hjälp av tvådimensionella nanomaterial är en ny lovande metod inom detta område. Ett elektriskt fält används för att dra DNA-strängen genom en nanopore i den tvådimensionella nanomaterial. Målet med studien är att med hjälp av kvantmekaniska metoder och datorsimuleringar ta reda på de dynamiska egenskaperna samt transportegenskaperna som beskriver DNA-molekylen när den passerar genom nanoporen. Experiment kommer att utföras för att undersöka möjligheten att förverkliga en sekvenseringsenheten där denna metod tillämpas, förbättrad med kunskap från molekylär elektronik, för DNA-sekvensering.

De nanoporer, som vi nämnde, är små öppningar i membran genom vilket vatten, joner och små biomolekyler kan passera. För ungefär tjugo år har forskare försökt att utnyttja nanoporer att analysera molekyler som rör sig genom porerna; i synnerhet DNA, i syfte att utveckla en ny fysikalisk metod för sekvensering, i vilken en elektrisk utläsning kan direkt avslöja ordningen på de fyra olika bastyper. Denna källa av signalen kunde vara antingen graden av hur mycket jonströmmen genom poren är blockerad av DNA eller, en tvärgående elektrisk ström som moduleras på ett karakteristiskt sätt av de olika baser. Om det lyckas, kan en sådan ny metod leda till hel-sekvensering till en kostnad av cirka 100 amerikanska dollar, vilket möjliggör verkligt utbredd användning inte bara i laboratorier utan också på kliniker. En hel del framsteg har hänt i denna riktning under de senaste åren, men en fråga återstår som håller sekvensering genom nanoporer från att uppnå sin fulla potential: brus.

Det finns en rik zoo av olika källor till elektroniskt brus i de möjliga nanopore uppställningar som syftar till sekvensering. Vad de alla har gemensamt är att de döljer signalerna från de fyra olika baser, vilket gör dem nästan omöjligt att särskilja. För nanoporer borrade i ett tjockt membran, t ex kiselnitrid, detta elektroniskt brus har studerats. Men för en nyare klass av lovande tvådimensionella material, såsom grafen och molybdendisulfid, vilket även kan innehålla nanoporer och anses för DNA-sekvensbestämning, hur buller uppkommer inte har behandlats ännu.

Vad vi strävar efter att göra därför i det föreslagna projektet är att utveckla teorier och modeller som kan hjälpa oss att bättre förstå de olika bruskällor i en nanopore system. Vi kommer att beskriva systemet på olika sätt, från enkla modeller där vi kan lösa de grundläggande ekvationer i fysik, såsom de från elektrostatik och fluiddynamik. Då vi använder mer avancerade metoder, såsom molekyldynamiksimuleringar, som använder Newtons ekvationer för att generera en film som visar oss hur alla atomer i systemet är i rörelse. Vi kan analysera detta ytterligare genom att utföra kvantmekaniska beräkningar för några bilderna från filmen. På så sätt kan vi lära oss mer om den elektroniska strukturen. Detta gör det möjligt för oss att slutligen till också beräkna den elektriska ledningsförmågan och den elektriska strömmen i det system vi studerar.

Kombinationen av dessa teoretiska verktyg tillåter oss att räkna ut hur mycket brus det kommer att vara i en viss nanopore setup. Då kan vi utföra experiment, som också ingår i det föreslagna projektet, för att testa beräkningarna. Om de inte kommer överens, måste vi leta efter fel approximationer vi gjort i den teoretiska modellen. På detta sätt kan vi förbättra modellen och testa det igen och igen med experiment, tills de två är överens. Sedan har vi en modell där vi kan lita på och som vi kan använda för att bättre förstå ursprunget till buller och även för att styra experiment för att konstruera bättre nanopore uppställningar som har lågt brus och därför kan uppnå målet att sekvensera DNA.