Optimisation de la translocation d'ADN dans les nanopores à l'état solide pour une précision de séquençage améliorée

Résumé

Comparés aux nanopores biologiques, les nanopores à l'état solide doivent encore surmonter plusieurs obstacles avant de pouvoir être utilisés dans le séquençage d'ADN commercial. La faible résolution spatiale et la faible résolution temporelle constituent les deux défis majeurs. En raison des contraintes liées à la longueur du nanopore et aux propriétés de surface des nanopores à l'état solide, la résolution spatiale peut encore être améliorée. Parallèlement, la translocation de l'ADN est trop rapide sous l'effet de la force électrique, ce qui limite le nombre de points de données exploitables. La résolution temporelle des nanopores à l'état solide pourrait donc être améliorée si la vitesse de translocation de l'ADN est bien contrôlée. Dans cette mini-revue, nous résumons brièvement les méthodes d'amélioration de la résolution spatiale et nous nous concentrons sur les méthodes contrôlables pour augmenter la résolution de la détection par nanopore. Nous offrons également une perspective sur le développement du séquençage d'ADN par nanopores.

Introduction

Au cours des dernières décennies, d'importants progrès ont été réalisés dans l'application du séquençage d'ADN pour lire les séquences de bases dans le génome [1, 2]. Pour développer des médicaments personnalisés, les chercheurs cherchent une méthode de séquençage d'ADN plus rapide et moins coûteuse, permettant d'appliquer des médicaments ciblés et des traitements médicaux spécifiques à un individu [3, 4]. Depuis l'utilisation de la technologie des nanopores dans la détection d'ADN [5], elle est considérée comme une méthode efficace pour le séquençage de nouvelle génération [6, 7]. La technologie des nanopores est une plateforme prometteuse pour identifier des détecteurs mono-moléculaires hautement sensibles pour l'ADN [5] ou l'ARN [8]. Dans le schéma de détection de base, une chambre électrochimique est séparée en deux réservoirs (compartiments cis et trans) par une fine membrane contenant un nanopore [9], qui relie la solution conductrice et l'analyte dans la chambre électrochimique. En appliquant une tension à travers la membrane, les ions d'électrolyte traversent le nanopore à l'état solide et forment un courant de pore, mesuré à l'aide d'un montage de pince de patch avec une électronique ultra-sensible associée. Lorsqu'une molécule ou un complexe moléculaire traverse le nanopore, l'analyte peut exclure certains ions du volume défini par le nanopore, ce qui se détecte en surveillant de brèves variations du courant. À partir du temps de résidence (temps de séjour) dans le nanopore et de la signature d'amplitude du courant, des informations sur les molécules peuvent être obtenues. La résolution spatiale du séquençage par nanopore est déterminée par les dimensions du nanopore, ce qui suggère qu'il peut être utilisé comme un capteur unique pour de petits objets moléculaires entraînant une signature de courant détectable. De plus, les capteurs à nanopores sont faciles à intégrer dans des dispositifs lab-on-a-chip hautement portables et à miniaturiser [10].

Des progrès significatifs ont été réalisés dans le séquençage d'ADN par nanopores, tels que les nanopores à l'état solide [2, 11] et les nanopores protéiques [2, 7]. Le séquençage d'ADN par nanopores protéiques a été réalisé [7]. Cependant, les systèmes de nanopores protéiques présentent des limites pour l'étude des molécules biologiques. Il y a moins de contraintes avec les nanopores à l'état solide comparés aux nanopores biologiques/protéiques. Ces difficultés peuvent être surmontées par les nanopores à l'état solide. Comparés aux nanopores protéiques, ils sont fonctionnels sur des plages plus larges de températures, de tensions et de conditions de solvant et peuvent être ajustés en diamètre avec une précision sub-nanométrique. Ils sont prometteurs pour une application dans la technologie de nouvelle génération pour le séquençage d'ADN.

De nombreux nanopores à l'état solide de différents matériaux et structures ont été fabriqués pour des capteurs d'ADN. Cependant, le séquençage d'ADN n'est pas encore réalisé par les nanopores à l'état solide. Pour les capteurs à nanopores à l'état solide, il faut surmonter deux obstacles majeurs, concernant leur résolution spatiale et leur résolution temporelle, avant leur application commerciale au séquençage d'ADN. La difficulté concernant la résolution spatiale est que le nanopore à l'état solide doit distinguer le minuscule espacement entre deux nucléotides voisins afin d'atteindre une résolution mono-base. L'obstacle de la résolution temporelle est que la translocation de l'ADN est trop rapide sous une force électrique, ce qui entraîne l'acquisition de très peu de points de données valides par les pinces de patch existantes ou d'autres systèmes d'acquisition de signaux. Cette mini-revue présente un aperçu des diverses méthodes pour améliorer la résolution spatiale et temporelle de la détection d'ADN par nanopores à l'état solide. Elle se concentre également davantage sur les méthodes de ralentissement de la translocation de l'ADN à travers les nanopores à l'état solide.

Résolution spatiale

En 2001, les nanopores à l'état solide en nitrure de silicium ont été rapportés pour la première fois par Li et al. [12]. Divers nanopores à l'état solide ont été démontrés pour la détection moléculaire d'ADN, tels que l'oxyde de silicium [13], le silicium [14], l'Al₂O₃ [15] et le HfO₂ [16]. Bien que les nanopores à l'état solide puissent finalement être robustes aux conditions chimiques et mécaniques, ils présentent certaines limitations, comme une faible résolution spatiale. En raison de l'épaisseur des matériaux, des dizaines de bases peuvent traverser les nanopores à l'état solide simultanément. Actuellement, le nanopore en nitrure de silicium le plus fin est de 3 nm, ce qui ne permet toujours pas de distinguer les quatre types de bases [17].

Fait intéressant, l'épaisseur d'une monocouche de matériau bidimensionnel (2D) est d'environ 3,0 à 11,0 Å, ce qui est comparable à l'espacement entre deux nucléotides voisins le long de l'ADN simple brin (3,2 à 5,2 Å) [18]. Les membranes bidimensionnelles, telles que le graphène (3,4 Å [19]), le MoS₂ (6,5 Å [18]), le WS₂ (7 Å [20]) et le h-BN (11 Å [21]), ont été démontrées pour détecter les translocations d'ADN [21,22,23] en raison de leur rapport signal/bruit élevé et de leur résolution spatiale. Il est clair, au vu de leur résolution spatiale, que ces matériaux peuvent être utilisés pour la détection d'ADN. De plus, des techniques de croissance reproductibles et des procédures de transfert à grande échelle permettent de fabriquer des pores sub-nanométriques dans les membranes 2D à grande échelle.

Le graphène est une feuille atomiquement fine d'atomes de carbone arrangés en un réseau bidimensionnel en nid d'abeille [24]. Les chercheurs ont démontré que des molécules d'ADN simples en solution peuvent être détectées et caractérisées avec des nanopores en graphène [22, 25]. Cependant, il existe de fortes interactions hydrophobes entre les nucléotides d'ADN et le graphène, et l'ADN obstrue et adhère sévèrement aux nanopores en graphène, ce qui affecte considérablement la vitesse de translocation [26]. La modification par des groupes hydrophiles [26] ou le revêtement d'un matériau hydrophile [25] sur le graphène pourraient améliorer l'hydrophilie du graphène et éviter l'adhérence de l'ADN à sa surface. Malheureusement, que ce soit la modification par des groupes hydrophiles ou le revêtement par des matériaux hydrophiles, cela augmentera l'épaisseur du film suspendu, conduisant à une augmentation de l'épaisseur des nanopores, diminuant ainsi la résolution spatiale du graphène.

Le dichalcogénure de métal de transition stratifié est un autre matériau 2D, qui inclut le MoS₂ [18, 27] et le WS₂ [20]. Un rapport signal/bruit élevé (SNR > 10) et une amplification cinq fois supérieure du signal de courant ionique ont été détectés lorsque l'ADN traversait la membrane de nanopore en MoS₂ [18]. Par ailleurs, le MoS₂ est hydrophile, donc aucun traitement de surface particulier n'est nécessaire pour éviter l'interaction hydrophobe entre l'ADN et sa surface. L'autre matériau, le WS₂, possède un gap de bande direct de 2,1 eV [28], et son émission de photoluminescence (PL) est plus forte que celle du MoS₂, bien étudié [29]. Danda et al. [20] ont fabriqué un nanopore en WS₂ et démontré la réalisation d'une taille de nanopore contrôlée atomiquement par de courtes impulsions lumineuses, ce qui pourrait avoir des effets positifs sur les nanopores à l'état solide pour la détection d'ADN.

En outre, Liu et al. [21] ont rapporté la première expérience de translocation d'ADN à travers des nanopores en h-BN. Similaire au graphène, le h-BN a une faible hydrophilie, ce qui provoquera le blocage des nanopores par l'ADN. Par la suite, Zhou et al. [23] ont réussi à améliorer l'hydrophilie des nanopores en h-BN en tirant parti de l'antioxydation et de l'intégrité du matériau h-BN après traitement UV-ozone. La nature isolante du h-BN pourrait présenter une durabilité et des propriétés isolantes plus remarquables en solution à force ionique élevée que le graphène. C'est un candidat compétitif pour atteindre une résolution mono-base sur des structures de nanopores ultra-fines.

L'utilisation de matériaux bidimensionnels peut potentiellement augmenter la résolution spatiale du dispositif pour atteindre une résolution mono-nucléotide. Bien que des expériences de détection d'ADN pour plusieurs matériaux bidimensionnels aient été rapportées, personne n'a rapporté la réalisation du séquençage d'ADN par nanopores à l'état solide. La résolution temporelle du séquençage par nanopore reste également un défi.

Résolution temporelle

La vitesse de translocation de l'ADN à travers un nanopore à l'état solide est très rapide, jusqu'à 0,01–1 μs/base [30], conduisant à très peu de données effectives collectées par les pinces de patch commerciales. Il n'est donc pas possible de distinguer chaque base en se basant sur le signal de courant de blocage. Les vitesses de translocation d'ADN des nanopores à l'état solide de matériaux 2D, tels que le graphène, le MoS₂, le WS₂ et le h-BN, sont présentées dans la Fig. 1. Idéalement, la vitesse de translocation de l'ADN dans un nanopore devrait être de 1 à 100 pb/ms pour permettre un enregistrement satisfaisant du signal de chaque nucléotide [32].

Fig. 1 Vitesse de translocation de l'ADN dans les nanopores à l'état solide 2D [18, 20,21,22,23, 25, 27, 31]. La ligne pointillée rouge indique un taux de translocation d'ADN de 100 pb/ms.

Dans ce contexte, le ralentissement de la vitesse de translocation de l'ADN est un objectif important poursuivi par de nombreux chercheurs. Diverses méthodes ont été développées pour ralentir la translocation de l'ADN afin d'améliorer la résolution temporelle de la détection par nanopores à l'état solide. La méthode habituelle consiste à modifier l'influence de facteurs expérimentaux tels que la température [33], la viscosité de l'électrolyte [27], la tension d'entraînement [34], la concentration ionique [35] et la densité de charge de surface d'un nanopore [36] en modifiant la translocation de l'ADN à travers celui-ci. Wanunu et al. [33] se sont concentrés sur le ralentissement de la translocation d'ADN double brin à travers les nanopores à l'état solide en modifiant la tension, la température et la longueur de l'ADN. De plus, Feng et al. [27] ont montré qu'un système de gradient de viscosité, basé sur des liquides ioniques à température ambiante, peut être utilisé pour contrôler la dynamique de la translocation de l'ADN à travers les nanopores en MoS₂, et ont démontré que la viscosité élevée des liquides ioniques à température ambiante fournit des vitesses de translocation mono-nucléotide optimales de 373 pb/ms.

Bien que de nombreuses approches aient le potentiel de réduire la vitesse de translocation de l'ADN et de faciliter la détection du courant ionique, elles ne répondent toujours pas aux exigences du séquençage d'ADN. Il est donc nécessaire de développer des méthodes plus radicales pour contrôler le passage de l'ADN à travers les nanopores. Ici, nous discutons des méthodes de contrôle de la structure du nanopore et du mouvement quantitatif de l'ADN pour améliorer la résolution temporelle.

Système à deux nanopores

Les chercheurs ont utilisé des systèmes à deux nanopores pour manipuler les translocations de molécules d'ADN, ce qui permet de détecter de manière contrôlable la même molécule plusieurs fois. Deux nanopores empilés, séparés par une cavité compartimentée de taille micrométrique [37] (Fig. 2a), peuvent piéger les molécules d'ADN pendant un certain temps et les libérer de manière contrôlée. La dynamique des molécules d'ADN peut être déduite des signaux des deux pores par analyse de corrélation, ce qui fournit une preuve électrique directe de la translocation. De plus, en raison des barrières d'entropie du système à deux couches de nanopores, le mouvement brownien des molécules d'ADN peut être confiné, ce qui peut améliorer la précision du séquençage d'ADN avec les nanopores. Comparé aux techniques de détection mono-moléculaire, les molécules d'ADN peuvent être mesurées plusieurs fois dans les systèmes à deux couches de nanopores en disposant en série plusieurs pores au lieu de les faire passer d'avant en arrière à travers un seul pore [39].

Fig. 2 a Schéma du système à deux couches de nanopores utilisé pour la détection d'ADN par nanopore [37]. b Schéma du système à double nanopore utilisé pour la détection d'ADN par nanopore [38].

Les systèmes à double nanopore fournissent une autre méthode pour contrôler le transport moléculaire et relier efficacement les molécules entre deux pores ; ce sont une approche mécaniste sans étiquette pour la manipulation de l'ADN [40]. Dans un système à double nanopore, il y a deux nanopores indépendamment adressables et adjacents dans la même membrane à l'état solide. Lors du passage électrophorétiquement entraîné d'une molécule d'ADN à travers l'un des nanopores, une seule molécule d'ADN peut être capturée dans les deux pores, entraînant un « tirage à la corde » entre les deux nanopores [38] (Fig. 2b). Par conséquent, des forces sont appliquées aux différentes extrémités d'une molécule d'ADN, ce qui ralentit et même arrête complètement son mouvement. Le système à double nanopore ouvre une nouvelle voie au piégeage mécanique de l'ADN dans les nanopores à l'état solide, et c'est une technique prometteuse pour mesurer une large gamme de biomolécules avec les avantages d'être sans étiquette, d'avoir un rapport signal/bruit élevé et un faible coût. Il peut confiner et piéger efficacement les molécules d'ADN pour ralentir la translocation de l'ADN et peut également être utilisé pour étudier la physique de ce tirage à la corde à l'échelle nanométrique sur l'ADN [41].

Nanopore à piège optique

Les nanopores à piège optique permettent aux pinces optiques de piéger des particules de moins de quelques dizaines de nanomètres. Cela rend possible le piégeage optique de protéines [42], de fragments d'ADN [43] et d'autres biomolécules [44], ainsi que de petits virus [45]. La théorie de base derrière les nanopores à piège optique est un piège optique à rétroaction auto-induite [46]. Le faisceau laser focalisé sur la région du réseau de nanopores formera un champ lumineux local de haute densité de puissance au bord de la couche métallique dans le trou. Lorsqu'une particule se déplace entre le champ lumineux local, elle peut provoquer un grand changement dans la transmission optique locale, ce qui produira à son tour une grande force optique et diélectrique sur la particule. Une structure à double nanofente est utilisée pour briser le goulot d'étranglement de la taille des particules capturées. Muhammad et al. [47] ont démontré l'utilisation potentielle de nanopores à piège optique avec des nanoparticules de silice et d'or de 20 nm. La forme d'haltère de la double nanofente a été fraisée dans le film d'or, et un nanopore de 25 nm a été percé à travers la membrane suspendue de SiₓNᵧ au milieu de la double nanofente, comme le montre la Fig. 3a. La force électrophorétique entraînant les nanoparticules à travers le nanopore, lors du passage au bord du trou, la force plasmonique de rétroaction auto-induite existant entre les pointes de la double nanofente s'oppose à la force électrophorétique, réduisant la vitesse des nanoparticules. Les résultats ont montré que le piégeage optique a prolongé le temps de translocation électrophorétique de quatre ordres de grandeur. Kim et al. [43] ont réalisé la capture optique d'ADN plasmidique et d'ADN lambda en utilisant les structures nanoplasmoniques de nanopores simples. La technologie a des applications potentielles pour la détection d'ADN et de multiples champs lumineux locaux peuvent être mis en place pour réaliser une détection parallèle. Cependant, l'oscillation de courant ionique à haute fréquence peut affecter les résultats de détection de courant de l'ADN. Cela peut être dû à la compétition entre les forces électrophorétiques et de rétroaction auto-induite provoquant la flottaison des nanoparticules de haut en bas à travers l'ouverture du nanopore.

Fig. 3 a Schéma de la puce à nanopore à piège optique [47]. b Schéma du système à rétroaction auto-induite.

Pinces optiques

Les pinces optiques peuvent être utilisées pour contrôler la translocation moléculaire à travers les nanopores et ont été couramment utilisées ces dernières années. En 2006, Keyser et al. [48] ont démontré pour la première fois un tirage à la corde moléculaire entre les forces électrophorétiques et mécaniques en appliquant des pinces optiques pour contrôler la translocation de l'ADN à travers des nanopores en SiNₓ. Ce système agit comme un simple ressort de Hooke, et la force de tension sur la bille peut être calculée selon la loi de Hooke : F_ot = −k_trapZ, où F_ot est la force optique, k_trap est la raideur du piège le long de la direction de déplacement, et Z est la déformation linéaire de la bille [48]. La méthode des pinces optiques, qui piège une bille de polystyrène attachée à l'ADN au croisement d'un faisceau laser focalisé, peut manipuler la bille de polystyrène attachée à l'ADN en trois dimensions et possède une sensibilité de force dans la gamme du pico-newton, comme le montre la Fig. 4a. Pour piéger l'ADN en translocation à l'intérieur du nanopore, la force de tension a été ajustée pour équilibrer la force du champ électrique (F_el) sur l'ADN. Par conséquent, la tension peut être utilisée à la fois pour réduire la vitesse de translocation de l'ADN et pour tirer la molécule d'ADN hors d'un nanopore [52]. Ce système permet un échantillonnage spatial simultané et des mesures de force à haute résolution des acides nucléiques et des protéines, ce qui a permis des progrès significatifs dans le séquençage d'ADN. Cependant, la technique des pinces optiques souffre de plusieurs difficultés fondamentales. Premièrement, il est difficile de l'étendre à un grand nombre de nanopores. Deuxièmement, le chauffage causé par le laser dans les pinces optiques impacte fortement le courant ionique à travers un nanopore et le niveau de bruit, nécessitant que la bille piégée optiquement soit à plusieurs micromètres du nanopore [53].

Fig. 4 a Schéma des pinces optiques utilisées pour la détection d'ADN par nanopore [48]. Lorsque le système de pinces optiques est en équilibre, la force optique (F_ot) est égale à la force du champ électrique (F_el). b Schéma des pinces magnétiques utilisées pour la détection d'ADN par nanopore [49]. Lorsque le système de pinces magnétiques est en équilibre, la force magnétique (F_Mt) est égale à la force du champ électrique (F_el). c Schéma de l'AFM utilisé pour la détection d'ADN par nanopore [50]. d Schéma du TFFS utilisé pour la détection d'ADN par nanopore [51].

Pinces magnétiques

Les pinces magnétiques offrent une autre façon de contrôler la translocation de l'ADN par force de tension, et il a été démontré que la technique des pinces magnétiques est efficace pour ralentir la translocation de l'ADN [49]. Dans ce système, comme le montre la Fig. 4b, les molécules d'ADN peuvent être attachées à une bille magnétique de taille micrométrique en utilisant une forte interaction or-thiol [54] ou streptavidine-biotine [49]. Ensuite, l'extrémité libre de l'ADN peut être capturée dans le nanopore par un champ électrique appliqué. Par la suite, deux aimants avec un petit espace peuvent être utilisés pour créer un gradient de champ magnétique. Cette technique peut équilibrer la force électrique sur l'ADN piégé pour réduire les vitesses de translocation et même inverser l'électrophorèse. Comparées aux pinces optiques, les pinces magnétiques sont un candidat prometteur pour la spectroscopie de force massivement parallèle. Dans ce système, des centaines de billes et donc de molécules d'ADN peuvent être contrôlées simultanément dans des centaines de nanopores, ce qui est facilement évolutif vers de nombreux nanopores adressables. Cela peut accélérer le processus analytique d'ordres de grandeur. Cependant, comparées aux pinces optiques, un inconvénient évident de l'approche des pinces magnétiques est l'absence de contrôle tridimensionnel des molécules [55].

Sonde de détection de force

Bien que des progrès significatifs aient été réalisés dans le contrôle de la vitesse de translocation de l'ADN par les pinces optiques et magnétiques, les méthodes de piégeage de billes ont un problème avec le mouvement brownien qui rend difficile le contrôle du mouvement de la bille avec une résolution inférieure à 10 nm [51]. Pour surmonter cela, l'AFM a été utilisé pour contrôler la vitesse de translocation de l'ADN [50], et il peut également mesurer simultanément la force et le courant de blocage. Dans une étude utilisant ce système, comme le montre la Fig. 4c, l'ADN était attaché à la pointe d'une sonde AFM, puis serré dans le support de sonde. En contrôlant le mouvement de la sonde, la translocation de l'ADN pouvait être contrôlée pour réduire sa vitesse et même inverser l'électrophorèse. De plus, en rétractant la pointe à une hauteur au-dessus de la surface correspondant à la longueur de la molécule, les mesures peuvent être répétées. Avec l'assistance de l'AFM, la détection d'ADN a progressé dans la pratique et la théorie car la résolution de détection peut être grandement améliorée par les signaux combinés de courant de blocage et de mesures de force AFM [56]. Cependant, il reste un obstacle dans l'application des techniques de nanopore dans la détection d'ADN, à savoir l'occurrence intermittente de fluctuations régulières dans la force (et le courant) tous les 0,35–0,72 nm lorsque une molécule d'ADN glisse de manière relativement sans frottement à travers un nanopore. Ces fluctuations sont attribuées à des nucléotides individuels traversant le nanopore dans un mouvement de type tourniquet [50].

Sonde Si

Toutes les méthodes ci-dessus, à savoir les pinces magnétiques, les pinces optiques, l'AFM et le TFFS, doivent scanner la position du nanopore. Elles doivent localiser le nanopore dans la longueur effective de l'ADN pour s'assurer que l'ADN peut passer à travers le nanopore. L'adressage du nanopore est une partie importante de ces méthodes mais est difficile [32] a connecté l'ADN à une grande surface d'une sonde en silicium (Fig. 5), plus grande que la surface de la puce, ce qui signifiait qu'ils pouvaient facilement insérer l'ADN immobilisé dans un nanopore sans scanner la position du nanopore dans la membrane. La faisabilité d'utiliser une sonde Si avec ADN immobilisé et un contrôleur de position pour contrôler le mouvement de l'ADN dans et hors des nanopores a été démontrée. La difficulté de cette méthode est que la sonde Si est immergée dans la solution et connectée à l'ADN par couplage peptidique. La densité d'ADN sur la surface de la sonde est difficile à contrôler, donc le passage de plusieurs ADN à travers un nanopore en même temps est susceptible de se produire, affectant le courant de détection.

Fig. 5 Schéma du système à sonde Si avec ADN immobilisé utilisé pour la détection d'ADN par nanopore [32].

Les pinces optiques, les pinces magnétiques, la microscopie à force atomique (AFM) et la détection de force basée sur diapason (TFFS) peuvent détecter les forces et la position réelles de la molécule dans le nanopore, ce qui est prometteur pour contrôler le passage de l'ADN à travers les nanopores à une vitesse appropriée. La difficulté d'adressage des nanopores est évitée en utilisant une sonde Si. De plus, l'utilisation d'un système à deux nanopores est une méthode réalisable pour contrôler et ralentir le passage de l'ADN à travers les nanopores. En outre, un nanopore à piège optique a un potentiel pour la détection d'ADN à l'avenir. Ici, nous avons résumé la vitesse de translocation de l'ADN d'un nanopore à l'état solide intégré avec certaines méthodes de contrôle de l'ADN, telles qu'un système à deux nanopores, un nanopore à piège optique, des pinces optiques, des pinces magnétiques, l'AFM, le TFFS et la sonde Si (Tableau 1).

Conclusion

Les matériaux 2D monocouches, tels que le graphène, le MoS₂, le WS₂ et le h-BN, sont possiblement les matériaux les plus fins réalisables car ils sont aussi épais que l'espacement entre les nucléotides. Comparés aux membranes de nanopores à l'état solide traditionnelles, les membranes 2D monocouches sont idéales pour les dispositifs à nanopores car elles présentent un rapport signal/bruit ionique élevé et des régions de détection relativement grandes. Elles sont potentiellement éligibles pour réaliser le séquençage d'ADN en combinant avec des pinces optiques, des pinces magnétiques, l'AFM, le TFFS, la sonde Si, un système à deux nanopores ou un nanopore à piège optique. Cependant, avec ces techniques, plusieurs défis se posent, qui doivent être résolus avant la commercialisation du séquençage d'ADN par nanopore. Le premier survient lorsque les billes ou les pointes de sonde sont proches d'un nanopore, lorsque il est plus difficile de discriminer les nucléotides d'ADN avec les signaux de courant ionique. Des manches moléculaires ou d'autres molécules plus longues devraient être utilisées pour ajouter de la longueur à un brin d'ADN qui peut compenser l'effet sur le signal de courant apporté par les billes ou les pointes. Deuxièmement, des réseaux de nanopores devraient être utilisés pour réaliser une détection à haut débit et parallèle, mais la technologie de détection parallèle n'est actuellement pas assez mature. Troisièmement, selon les méthodes de fabrication actuelles, il est difficile de fabriquer un système à deux nanopores et un système de nanopore à piège optique avec une haute précision et reproductibilité, ce qui est très significatif pour la détection d'ADN par nanopore. Un faisceau d'ions hélium pourrait être la technologie clé pour résoudre ce problème [11, 58]. Ainsi, nous nous attendons à ce que le séquençage d'ADN par nanopore continue d'être un sujet de recherche et puisse être intégré avec plus de nouvelles idées et approches innovantes pour réaliser de faibles taux d'erreurs, un enregistrement rapide et hautement parallèle, et de longues longueurs de lecture allant jusqu'à 100 kilobases.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

Abréviations

2D :

Deux dimensions

3D :

Matériaux tridimensionnels

TMDs :

Dichalcogénure de métal de transition stratifié

SNR :

Rapport signal/bruit

PL :

Photoluminescence

SIBA :

Rétroaction auto-induite

AFM :

Microscopie à force atomique

TFFS :

Détection de force basée sur diapason