Biosensor -chip detekterer enkelt nukleotidpolymorfisme trådløst, med højere følsomhed

Et team ledet af University of California San Diego har udviklet en chip, der kan detektere en type genetisk mutation kendt som en enkelt nukleotidpolymorfisme (SNP) og sende resultaterne i realtid til en smartphone, computer, eller anden elektronisk enhed. Chippen er mindst 1, 000 gange mere følsom til at detektere en SNP end den nuværende teknologi.

Forskuddet, udgivet 9. juli i Avancerede materialer , kan føre til billigere, hurtigere og bærbar biosensorer til tidlig påvisning af genetiske markører for sygdomme som kræft.

En SNP er ændringen i en enkelt nukleotidbase (A, C, G eller T) i DNA -sekvensen. Det er den mest almindelige type genetisk mutation. Selvom de fleste SNP'er ikke har nogen mærkbar effekt på helbredet, nogle er forbundet med øget risiko for at udvikle patologiske tilstande som kræft, diabetes, hjerte sygdom, neurodegenerative lidelser, autoimmune og inflammatoriske sygdomme.

Traditionelle SNP -detektionsmetoder har flere begrænsninger:de har relativt dårlig følsomhed og specificitet; de kræver forstærkning for at få flere kopier til påvisning; de kræver brug af omfangsrige instrumenter; og de kan ikke fungere trådløst.

Den nye DNA-biosensor udviklet af UC San Diego-ledede team er en trådløs chip, der er mindre end en negl og kan detektere en SNP, der er til stede i picomolære koncentrationer i opløsning.

"Miniaturiseret chipbaseret elektrisk påvisning af DNA kan muliggøre in-field og on-demand-påvisning af specifikke DNA-sekvenser og polymorfismer til rettidig diagnose eller prognose af afventende sundhedskriser, herunder virus- og bakterieinfektionsbaserede epidemier, "sagde Ratnesh Lal, professor i bioingeniør, maskinteknik og materialevidenskab ved UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Chippen fanger i det væsentlige en DNA -streng, der indeholder en specifik SNP -mutation og producerer derefter et elektrisk signal, der sendes trådløst til en mobil enhed. Den består af en grafenfelt -effekt -transistor med et specielt konstrueret stykke dobbeltstrenget DNA fastgjort til overfladen. Dette stykke DNA er bøjet nær midten og formet som en pincet. Den ene side af disse såkaldte "DNA-pincetter" koder for en specifik SNP. Når en DNA -streng med den SNP nærmer sig, det binder til den side af DNA-pincetten, åbner dem og skaber en ændring i elektrisk strøm, der detekteres af grafenfelt -effekt -transistoren.

Projektet ledes af Lal og involverer teams ved Institute of Engineering in Medicine i UC San Diego, Chinese Academy of Sciences i Kina, University of Pennsylvania, Max Planck Institute for Biophysical Chemistry i Tyskland, og Inner Mongolia Agricultural University i Kina.

Forskydning af DNA -streng

Det, der driver denne teknologi, er en molekylær proces kaldet DNA -strengforskydning - når en DNA -dobbeltspiral udveksler en af ​​dens tråde med en ny komplementær streng. I dette tilfælde, DNA-pincetten bytter en deres tråde til en med en bestemt SNP.

Dette er muligt på grund af den særlige måde, hvorpå DNA-pincetten konstrueres. En af strengene er en "normal" streng, der er knyttet til grafentransistoren og indeholder den komplementære sekvens for en specifik SNP. Den anden er en "svag" streng, hvor nogle af nukleotiderne erstattes med et andet molekyle for at svække dets bindinger til den normale streng. En streng indeholdende SNP er i stand til at binde stærkere til den normale streng og fortrænge den svage streng. Dette efterlader DNA-pincetten med en netto elektrisk ladning, der let kan detekteres af grafen-transistoren.

Ny og forbedret SNP -detekteringschip

Dette arbejde bygger på den første etiket- og forstærkningsfrie elektroniske SNP-detekteringschip, som Lals team tidligere har udviklet i samarbejde med Gennadi Glinksy, forsker ved UC San Diego Institute of Engineering in Medicine, og andre UC San Diego -forskere. Den nye chip har tilføjet trådløs kapacitet og er mindst 1, 000 gange mere følsom end forgængeren.

Det, der gør den nye chip så følsom, er designet af DNA-pincetten. Når den SNP-holdige streng binder, det åbner DNA-pincetten, ændre deres geometri, så de bliver næsten parallelle med grafenoverfladen. Dette bringer den elektriske nettoladning af DNA tæt på grafenoverfladen, giver et større signal. I modsætning, DNA -sonden indbygget i den tidligere chip har en struktur, der ikke kan bringes tættere på grafenoverfladen, så det genererer et svagere signal ved binding af en SNP-holdig streng.

Næste trin omfatter design af array -chips til at registrere op til hundredtusinder af SNP'er i en enkelt test. Fremtidige undersøgelser vil indebære at teste chippen på blod og andre kropsvæskeprøver taget fra dyr eller mennesker.