In de biotechnologie vormt het nauwkeurig uitlezen van moleculaire barcodes via solid-state nanoporen een complexe uitdaging. Een fundamenteel probleem is de onregelmatige en hoge snelheid waarmee moleculen door deze nanoporen bewegen. Dit bemoeilijkt de detectie van kleine labels en beperkt de precisie waarmee hun positie op een moleculaire drager kan worden vastgesteld. Een britannica.com is in dit verband de kleinste eenheid van een chemische verbinding die nog steeds de eigenschappen van die stof bezit.
Om deze technische hindernissen te overwinnen, hebben onderzoekers, waaronder Sanjin Marion en Wouter Botermans, een innovatieve aanpak ontwikkeld. Volgens een publicatie op arxiv.org maken zij gebruik van een zogenaamde "anchoring"-strategie. Hierbij worden grotere labels ingezet die gemakkelijker te detecteren zijn en fungeren als referentiepunten. Deze ankers stellen de wetenschappers in staat om verschillende translocatie-events — het moment waarop het DNA door de pore gaat — met elkaar uit te lijnen.
Een cruciaal onderdeel van deze nieuwe methodiek is de implementatie van een probabilistisch model om de translocatiesnelheid te analyseren. Door de exacte posities van de ankerpunten te meten, kan het meest waarschijnlijke snelheidsprofiel per gebeurtenis worden vastgesteld. Dit proces, dat bekendstaat als "nonlinear trace unwarping", corrigeert de meetgegevens waardoor meerdere gebeurtenissen nauwkeuriger over elkaar heen kunnen worden gelegd.
Daarnaast passen de onderzoekers een procedure voor bewijsaggregatie toe via specifieke vensters. Deze techniek stelt hen in staat om zwakke signalen van labels over verschillende events heen te verzamelen. Hierdoor kunnen kenmerken die in een enkele meting door ruis werden overstemd, alsnog betrouwbaar worden geïdentificeerd. Deze gecombineerde aanpak leidt tot een aanzienlijke verbetering van de lokalisatieprecisie.
Uit de resultaten die zijn gedeeld via blijkt dat labels van het type 'single-dumbbell' (DB1), die ongeveer 28 nucleotiden bevatten, robuust konden worden teruggevonden. De foutmarges bij de lokalisatie namen aanzienlijk af wanneer er over meerdere events werd gemiddeld. Voor DB3-labels daalde de gemiddelde fout tot circa 10 baseparen, terwijl deze voor DB1-labels ongeveer 40 baseparen bedroeg.
Het onderzoek wijst er bovendien op dat een kleinere pore-geometrie, die leidt tot sterkere stroomblokkades, resulteert in een betere detectie en een lagere lokalisatiefout. Dit effect is onafhankelijk van de gebruikte fabricatietechniek voor de membranen. De volledige methodologie en de bijbehorende data zijn in detail beschreven in het document op .
Deze doorbraak opent de weg naar het uitlezen van moleculaire informatie met een hogere dichtheid. Omdat de verbetering voortkomt uit geavanceerde data-analyse en uitlijning in plaats van het fysiek vertragen van de moleculaire beweging, kan de doorvoersnelheid van het proces behouden blijven. Het werk is ingediend in diverse wetenschappelijke categorieën, waaronder biologische fysica en instrumentatie, wat het brede potentieel van deze techniek onderstreept.