來源：賢集網(wǎng)         時間：2021-07-08

       人類基因組測序耗時 13 年，耗資 10 億美元，這是一項巨大的科學(xué)事業(yè)，開啟了醫(yī)學(xué)新時代。隨著當(dāng)今測序技術(shù)的進(jìn)步，同樣的任務(wù)只需花費大約一天的時間，成本只是其中的一小部分。明天的技術(shù)可以將其減少到僅僅幾秒鐘。 

       基于納米孔的 DNA 測序是第三代技術(shù)，有可能通過提供疾病的快速診斷和個性化醫(yī)療來進(jìn)一步改變醫(yī)療保健。方法越有效越好。雖然公司已經(jīng)開始將該技術(shù)商業(yè)化，但仍有一些障礙需要克服。 

MXene 卓越的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性使其成為固態(tài)納米孔 DNA 測序的有力選擇。

圖片來源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械和人工智能實驗室 

       目前使用的一種納米孔方法是基于蛋白質(zhì)的，即生物的。它使用能夠區(qū)分單個核苷酸和一組核苷酸的膜蛋白復(fù)合物。不幸的是，蛋白質(zhì)會因測序所需的大量使用而分解——對于納米孔膜來說，這可能是數(shù)百萬次。 

       相比之下，固態(tài)納米孔測序使用合成材料。二維納米材料，如石墨烯、氮化硅和二硫化鉬，提供了卓越的機(jī)械性能和熱和化學(xué)穩(wěn)定性。但是，這種方法仍然存在缺點?？茖W(xué)家需要進(jìn)一步研究以更好地理解和表征這些不同的固態(tài)材料。 

       卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員對另一種納米材料 MXene 合成的最新進(jìn)展產(chǎn)生了興趣。也稱為碳化鈦，它屬于一類單層、二維無機(jī)化合物，只有幾個原子厚。以前沒有人將這種材料用于納米孔 DNA 測序。研究結(jié)果發(fā)表在ACS Nano雜志上。 

       MXenes 以其結(jié)合了金屬和陶瓷的特性而著稱，包括出色的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、耐熱性、易加工性和出色的體積電容。 

       研究人員希望探索 MXene 作為用于 DNA 檢測的潛在膜材料，并觀察它如何與其他納米材料進(jìn)行測量。為了進(jìn)行調(diào)查，他們使用分子動力學(xué)模擬來分析其與單鏈 DNA 的相互作用。他們測量了物理特征，例如離子電流、停留時間、DNA 堿基的痕跡、物理吸附、堿基的柔韌性和納米孔的水合作用。 

       一個納米孔陣列可以包含數(shù)百個直徑小于 8 納米的孔。 

       “如果納米孔太大，所有遺傳物質(zhì)都會通過膜混合在一起，”機(jī)械工程助理教授 Amir Barati Farimani 解釋說：“太小了，根本就過不去。” 

       該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，基于 MXene 的納米孔能夠以高靈敏度檢測不同類型的 DNA 堿基。 

       “我們證明 MXene 是一種有效且有前途的納米材料，可用于基于納米孔的檢測平臺，”Barati Farimani 說。 

       研究人員旨在通過利用強(qiáng)大的人工智能 (AI) 算法來改進(jìn)納米孔系統(tǒng)的 DNA 檢測來擴(kuò)展他們的工作。DNA 堿基具有獨特的特征，可用作訓(xùn)練 AI 的輸入，以提高 DNA 檢測的準(zhǔn)確性。而且，人工智能可以利用高維模擬數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)和提取最重要的特征來區(qū)分 DNA 堿基。

      “這項工作的擴(kuò)展有望極大地改進(jìn)基于納米孔的檢測平臺，并最終克服使這項技術(shù)廣泛適用的門檻，”Barati Farimani 說。 

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