Ingeniører udvikler en ny biosensor-chip til påvisning af DNA-mutationer

Bioingeniører ved University of California, San Diego har udviklet en elektrisk grafenchip, der er i stand til at detektere mutationer i DNA. Forskere siger, at teknologien en dag kan bruges i forskellige medicinske applikationer, såsom blodbaserede tests til tidlig kræftscreening, overvågning af sygdomsbiomarkører og realtidsdetektion af virale og mikrobielle sekvenser. Forskuddet blev offentliggjort 13. juni i online-tidlige udgave af Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Vi er på forkant med at udvikle en hurtig og billig digital metode til at detektere genmutationer i høj opløsning - på skalaen af ​​en enkelt nukleotidændring i en nukleinsyresekvens, " sagde Ratnesh Lal, professor i bioteknik, maskinteknik og materialevidenskab på Jacobs School of Engineering ved UC San Diego.

Teknologien, som er på et proof-of-concept-stadium, er et første skridt mod en biosensor-chip, der kan implanteres i kroppen for at detektere en specifik DNA-mutation – i realtid – og overføre informationen trådløst til en mobil enhed såsom en smartphone eller bærbar computer.

Holdet ledet af Lal, der fungerer som meddirektør for Center of Excellence for Nano-Medicine og Engineering, et undercenter af Institute of Engineering in Medicine (IEM) ved UC San Diego, og Gennadi Glinsky, en forsker ved IEM, udviklet en ny teknik til at opdage den mest almindelige genetiske mutation kaldet en enkelt nukleotidpolymorfi (SNP), som er en variation af en enkelt nukleotidbase (A, C, G eller T) i DNA-sekvensen. Mens de fleste SNP'er ikke har nogen mærkbar effekt på sundheden, nogle er forbundet med patologiske tilstande såsom kræft, diabetes, hjerte sygdom, neurodegenerative lidelser, autoimmune og inflammatoriske sygdomme.

Nuværende SNP-detektionsmetoder er relativt langsomme, dyre og kræver brug af besværligt udstyr. "Vi udvikler en hurtig, let, billig og bærbar måde at opdage SNP'er ved hjælp af en lille chip, der kan arbejde med din mobiltelefon, " sagde Preston Landon, en forsker i Lals forskningsgruppe og medførsteforfatter på PNAS-papiret.

Chippen består af en DNA-sonde indlejret på en grafenfelteffekttransistor. DNA-proben er et konstrueret stykke dobbeltstrenget DNA, der indeholder en sekvens, der koder for en specifik type SNP. Chippen er specifikt konstrueret og fremstillet til at indfange DNA (eller RNA) molekyler med den enkelte nukleotidmutation - når disse stykker af DNA (eller RNA) binder til proben, der produceres et elektrisk signal.

Chippen fungerer i det væsentlige ved at udføre DNA-strengforskydning, den proces, hvor en DNA-dobbelthelix udskifter en streng med en anden komplementær streng. Den nye komplementære del - som, I dette tilfælde, indeholder den enkelte nukleotidmutation - binder stærkere til en af ​​strengene i dobbelthelixen og fortrænger den anden streng. I dette studie, DNA-sonden er en dobbelt helix indeholdende to komplementære DNA-strenge, der er konstrueret til at binde svagt til hinanden:en "normal" streng, som er knyttet til grafentransistoren, og en "svag" streng, hvor fire G'er i sekvensen blev erstattet med inosiner for at svække dens binding til den normale streng. DNA-strenge, der har den perfekt matchende komplementære sekvens til den normale streng - med andre ord, strenge, der indeholder SNP - vil binde sig til den normale streng og slå den svage streng af. Forskere konstruerede chippen til at generere et elektrisk signal, når en SNP-holdig streng binder til sonden, giver mulighed for hurtig og nem SNP-detektion i en DNA-prøve.

Forskere påpegede, at et nyt træk ved deres chip er, at DNA-sonden er knyttet til en grafentransistor, som gør det muligt for chippen at køre elektronisk. "Et højdepunkt i denne undersøgelse er, at vi har vist, at vi kan udføre DNA-strengforskydning på en grafenfelteffekttransistor. Dette er det første eksempel på at kombinere dynamisk DNA-nanoteknologi med højopløsnings elektronisk sensing. Resultatet er en teknologi, der potentielt kan være bruges sammen med dine trådløse elektroniske enheder til at detektere SNP'er, " sagde Michael Hwang, en materialevidenskabelig ph.d.-studerende ved UC San Diego og medførsteforfatter af undersøgelsen.

Brugen af ​​en dobbeltstrenget DNA-probe i teknologien udviklet af Lal's team er endnu en forbedring i forhold til andre SNP-detektionsmetoder, som typisk bruger enkeltstrengede DNA-prober. Med en dobbeltstrenget DNA-probe, kun en DNA-streng, der passer perfekt til den normale streng, er i stand til at fortrænge den svage streng. "En enkeltstrenget DNA-probe giver ikke denne selektivitet - selv en DNA-streng, der indeholder en mismatchende nukleotidbase, kan binde til proben og generere falsk-positive resultater, " sagde Lal.

En anden fordel ved en dobbeltstrenget DNA-probe er, at proben kan være længere, gør det muligt for chippen at detektere en SNP inden for længere DNA-strækninger. I dette studie, Lal og hans team rapporterede vellykket SNP-detektion med en sonde, der var 47 nukleotider lang - den længste DNA-probe, der er blevet brugt i SNP-detektion indtil videre, sagde forskere.

Også, en længere probe sikrer, at den DNA-sekvens, der påvises, er unik i genomet. "Vi forventede, at med en længere sonde, vi kan udvikle en pålidelig sekvensspecifik SNP-detektionschip. Ja, vi har opnået et højt niveau af sensitivitet og specificitet med den teknologi, vi har udviklet, " sagde Lal.

Næste trin omfatter opskalering af teknologien og tilføjelse af trådløse funktioner til chippen. Længere nede ad vejen, forskere forestiller sig at teste chippen i kliniske omgivelser og bruge den til at udføre flydende biopsier. De forestiller sig også, at teknologien kan føre til en ny generation af diagnostiske metoder og personaliserede behandlinger inden for medicin.