Grafen-DNA biosensor selektiv, enkel at skabe

(PhysOrg.com) -- Grafen og DNA kan kombineres for at skabe en stabil og nøjagtig biosensor, rapporterer en undersøgelse offentliggjort i det nanoteknologiske tidsskrift Small. Den lille biosensor kan i sidste ende hjælpe læger og forskere med bedre at forstå og diagnosticere sygdom.

Forskere ved Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory og Princeton University viste, at enkeltstrenget DNA interagerer stærkt med grafen, et nanomateriale lavet af plader af kulstofatomer kun et enkelt atom tykt. De fandt også ud af, at grafen beskytter DNA mod at blive nedbrudt af enzymer svarende til dem, der findes i kropsvæsker - en egenskab, der skulle gøre grafen-DNA-biosensorer meget holdbare.

"Graphene er af stor interesse, fordi det har flere unikke egenskaber, herunder at være nem og relativt billig at lave, " sagde PNNL kemiker Yuehe Lin, avisens tilsvarende forfatter. "Men meget få havde systematisk undersøgt, hvordan grafen interagerer med DNA ved hjælp af flere spektroskopiske teknikker, indtil vi kiggede. Vi fandt ud af, at de er et helt par."

Forskere har udforsket potentialet i nanoteknologi - eller bittesmå materialer, der kun er en milliardtedel af en meter store - i flere årtier. Et stigende antal videnskabsmænd fokuserer på grafen, fordi det er superledende, er usædvanlig stærk og har en stor overflade. Det er også nemmere at lave og bruge end andre nanomaterialer, såsom kulstof nanorør. Nanoteknologi kan hjælpe med at skabe nye lægemidler, levere medicin og udvikle sygdomsdetekterende biosensorer.

En grafen-DNA-biosensor ville opdage sygdomme ved at fiske efter molekyler involveret i sygdom. Som at snore en orm på en krog, videnskabsmænd ville placere DNA fra et gen, der vides at bidrage til en sygdoms udvikling, på et stykke grafen. Forskerne ville derefter dyppe biosensorkrogen i behandlet blod, spyt eller anden kropsvæske. Hvis DNA fra det sygdomsfremkaldende gen er i væsken og tager lokkemad, biosensoren afgiver et signal, som forskerne kan opdage.

Den dobbeltstrengede natur af DNA'et i vores gener gør dette fiskeskema muligt. Normalt dobbeltstrenget DNA ligner en snoet stige. Men enkeltstrenget DNA ligner en kam:det består af en sekvens af DNA-bogstaver, eller baser, der stikker op fra rygraden og som leder efter en anden base at parre sig med. Når komplementære sekvenser på enkeltstrenget DNA mødes, baserne danner trinene på den snoede stige.

At designe DNA-grafen biosensorer, videnskabsmænd skal forstå, hvordan DNA og grafen interagerer. Lin og kolleger, inklusive hovedforfatter og daværende PNNL post-doc forsker Zhiwen Tang, knyttet et fluorescerende molekyle til DNA, der lyser, når DNA flyder frit for at følge DNA'et i reagensglas. Næste, de blandede det glødende DNA og grafen. Enkeltstrenget DNA blev dæmpet, da det kom i kontakt med grafen. Men lysstyrken af ​​dobbeltstrenget DNA faldt kun lidt under de samme betingelser. Yderligere analyse med adskillige spektroskopi-tests viste, at grafens interaktion med enkeltstrenget DNA er meget stærkere end med dets dobbeltstrengede fætter. Testene antydede også, at grafen ændrede enkeltstrenget DNA's struktur.

For at finde ud af, om enkeltstrenget DNA kunne lokkes væk fra grafenet ved at gøre det dobbeltstrenget, forskerne tilføjede klart, enkeltstrenget DNA, der havde en komplementær sekvens af DNA-baser. Det originale enkeltstrengede DNA skinnede igen. Dette indikerede, at den originale enkeltstreng af DNA var kombineret med den tilføjede DNA-streng og dannet et nyt molekyle, der løsnede sig fra grafenens overflade.

Forskerne testede derefter, hvor kræsen det enkeltstrengede DNA på grafenen var med hensyn til partnere. De placerede grafen-DNA-biosensorerne i to forskellige reagensglas. I en, de tilføjede en komplementær DNA-streng med baser, der passede perfekt til det DNA, der allerede var knyttet til grafenet. I den anden, de placerede en komplementær DNA-streng, der havde én base, der ikke parrede sig med den originale DNA-streng på grafenoverfladen.

Begge afgav mere lys, efter at det komplementære DNA var indført. Men lyset fra røret med de perfekt matchede DNA-strenge var to gange stærkere end fra røret med de lidt mismatchede DNA-strenge. Evnen til at identificere, om en mål-DNA-streng er blevet fundet inden for en basematch - kaldet høj specificitet - burde gøre grafen-DNA-biosensorer mere nøjagtige end andre, konventionelle lineære DNA-biosensorer, skrev forskerne.

Grafen hjælper også med at gøre DNA holdbart, lærte forskerne. De placerede to slags enkeltstrenget DNA - en der var knyttet til grafen, og en anden, der var frit svævende - i reagensglas. De tilføjede DNAse - et enzym, der tygger DNA op - til begge og fandt ud af, at de frie DNA-strenge blev nedbrudt, mens grafen-DNA nanostrukturerne forblev intakte i mindst 60 minutter. Forskerne foreslog, at denne beskyttelse kunne lave DNA-grafen-platforme, der er velegnede til billeddannelse og genlevering hos patienter.

"Det enkle design og enorme holdbarhed af grafen-DNA-biosensorer gør diagnosticering af livstruende sygdomme med dem en mulighed, " sagde Lin. "Nu vil mine kolleger og jeg se på, om grafens evne til at beskytte DNA mod enzymer kan hjælpe DNA-grafenstrukturer med at levere lægemidler til syge celler eller endda hjælpe med genterapi."

Princeton University leverede grafen og PNNL's Transformational Materials Science Initiative betalt for denne undersøgelse. Noget af forskningen blev udført på EMSL, det miljømolekylære laboratorium, en national videnskabelig brugerfacilitet placeret på PNNL.