Een team onder leiding van de Universiteit van Californië in San Diego heeft een chip ontwikkeld die een type genetische mutatie kan detecteren dat bekend staat als een single nucleotide polymorphism (SNP) en de resultaten in realtime naar een smartphone kan sturen. computer, of ander elektronisch apparaat. De chip is minimaal 1, 000 keer gevoeliger voor het detecteren van een SNP dan de huidige technologie.

Het voorschot, gepubliceerd op 9 juli in Geavanceerde materialen , kan leiden tot goedkopere, snellere en draagbare biosensoren voor vroege detectie van genetische markers voor ziekten zoals kanker.

Een SNP is de verandering in een enkele nucleotidebase (A, C, G of T) in de DNA-sequentie. Het is het meest voorkomende type genetische mutatie. Hoewel de meeste SNP's geen waarneembaar effect hebben op de gezondheid, sommige zijn geassocieerd met een verhoogd risico op het ontwikkelen van pathologische aandoeningen zoals kanker, suikerziekte, hartziekte, neurodegeneratieve aandoeningen, auto-immuunziekten en ontstekingsziekten.

Traditionele SNP-detectiemethoden hebben verschillende beperkingen:ze hebben een relatief slechte gevoeligheid en specificiteit; ze hebben versterking nodig om meerdere kopieën te krijgen voor detectie; ze vereisen het gebruik van omvangrijke instrumenten; en ze kunnen niet draadloos werken.

De nieuwe DNA-biosensor die is ontwikkeld door het door UC San Diego geleide team is een draadloze chip die kleiner is dan een vingernagel en een SNP kan detecteren die in picomolaire concentraties in oplossing aanwezig is.

"Geminiaturiseerde, op chips gebaseerde elektrische detectie van DNA kan in-field en on-demand detectie van specifieke DNA-sequenties en polymorfismen mogelijk maken voor tijdige diagnose of prognose van dreigende gezondheidscrises, inclusief op virale en bacteriële infectie gebaseerde epidemieën, " zei Ratnesh Lal, hoogleraar bio-engineering, werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

De chip vangt in wezen een DNA-streng met een specifieke SNP-mutatie op en produceert vervolgens een elektrisch signaal dat draadloos naar een mobiel apparaat wordt gestuurd. Het bestaat uit een grafeen-veldeffecttransistor met een speciaal ontworpen stuk dubbelstrengs DNA dat aan het oppervlak is bevestigd. Dit stukje DNA is in het midden gebogen en heeft de vorm van een pincet. Een kant van deze zogenaamde "DNA-pincet" codeert voor een specifieke SNP. Telkens wanneer een DNA-streng met die SNP nadert, het bindt aan die kant van het DNA-pincet, ze openen en een verandering in elektrische stroom creëren die wordt gedetecteerd door de grafeen-veldeffecttransistor.

Het project wordt geleid door Lal en omvat teams van het Institute of Engineering in Medicine aan de UC San Diego, Chinese Academie van Wetenschappen in China, Universiteit van Pennsylvania, Max Planck Instituut voor Biofysische Chemie in Duitsland, en Inner Mongolia Agricultural University in China.

DNA streng verplaatsing

Wat deze technologie aandrijft, is een moleculair proces dat DNA-strengverplaatsing wordt genoemd - wanneer een dubbele DNA-helix een van zijn strengen verwisselt voor een nieuwe complementaire streng. In dit geval, het DNA-pincet verwisselt een van hun strengen voor een met een bepaalde SNP.

Dit is mogelijk door de bijzondere manier waarop het DNA-pincet is gemaakt. Een van de strengen is een "normale" streng die aan de grafeentransistor is bevestigd en de complementaire reeks voor een specifieke SNP bevat. De andere is een "zwakke" streng waarin sommige van de nucleotiden worden vervangen door een ander molecuul om de bindingen met de normale streng te verzwakken. Een streng die de SNP bevat, kan sterker binden aan de normale streng en de zwakke streng verdringen. Hierdoor blijft het DNA-pincet achter met een netto elektrische lading die gemakkelijk kan worden gedetecteerd door de grafeentransistor.

Nieuwe en verbeterde SNP-detectiechip

Dit werk bouwt voort op de eerste label- en amplificatievrije elektronische SNP-detectiechip die het team van Lal eerder ontwikkelde in samenwerking met Gennadi Glinksy, een onderzoekswetenschapper aan het UC San Diego Institute of Engineering in Medicine, en andere UC San Diego-onderzoekers. De nieuwe chip heeft draadloze mogelijkheden toegevoegd en is minimaal 1, 000 keer gevoeliger dan zijn voorganger.

Wat de nieuwe chip zo gevoelig maakt, is het ontwerp van het DNA-pincet. Wanneer de SNP-bevattende streng bindt, het opent het DNA-pincet, hun geometrie veranderen zodat ze bijna evenwijdig worden aan het grafeenoppervlak. Dit brengt de netto elektrische lading van het DNA dicht bij het grafeenoppervlak, een groter signaal geven. In tegenstelling tot, de DNA-sonde die in de vorige chip is ingebouwd, heeft een structuur die niet dichter bij het grafeenoppervlak kan worden gebracht, dus het genereert een zwakker signaal bij het binden van een SNP-bevattende streng.

De volgende stappen omvatten het ontwerpen van array-chips om tot honderdduizenden SNP's in een enkele test te detecteren. Toekomstige studies zullen betrekking hebben op het testen van de chip op bloed- en andere lichaamsvloeistofmonsters van dieren of mensen.