(PhysOrg.com) -- Grafeen en DNA kunnen worden gecombineerd om een ​​stabiele en nauwkeurige biosensor te creëren, meldt een studie gepubliceerd in het nanotechnologietijdschrift Small. De kleine biosensor kan uiteindelijk artsen en onderzoekers helpen ziekten beter te begrijpen en te diagnosticeren.

Wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy en de Princeton University hebben aangetoond dat enkelstrengs DNA sterk interageert met grafeen, een nanomateriaal gemaakt van vellen koolstofatomen van slechts één atoom dik. Ze ontdekten ook dat grafeen DNA beschermt tegen afbraak door enzymen die vergelijkbaar zijn met die in lichaamsvloeistoffen - een kenmerk dat grafeen-DNA-biosensoren zeer duurzaam zou moeten maken.

"Grafeen is van groot belang omdat het verschillende unieke eigenschappen heeft, inclusief het feit dat het gemakkelijk en relatief goedkoop te maken is, " zei PNNL-chemicus Yuehe Lin, corresponderende auteur van het artikel. "Maar slechts weinigen hadden systematisch onderzocht hoe grafeen interageerde met DNA met behulp van meerdere spectroscopische technieken, totdat we een kijkje namen. We ontdekten dat ze een behoorlijk paar vormen."

Wetenschappers onderzoeken al tientallen jaren het potentieel van nanotechnologie - of kleine materialen die slechts een miljardste van een meter groot zijn. Een groeiend aantal wetenschappers richt zich op grafeen omdat het supergeleidend is, is uitzonderlijk sterk en heeft een groot oppervlak. Het is ook gemakkelijker te maken en te gebruiken dan andere nanomaterialen, zoals koolstof nanobuisjes. Nanotechnologie kan helpen bij het maken van nieuwe medicijnen, medicijnen afleveren en ziektedetecterende biosensoren ontwikkelen.

Een grafeen-DNA-biosensor zou ziekten kunnen detecteren door te vissen op moleculen die betrokken zijn bij ziekten. Zoals een worm aan een haak rijgen, wetenschappers zouden DNA van een gen waarvan bekend is dat het bijdraagt ​​aan de ontwikkeling van een ziekte op een stuk grafeen plaatsen. De onderzoekers dopen dan de biosensorhaak in behandeld bloed, speeksel of een andere lichaamsvloeistof. Als DNA van het ziekteverwekkende gen in de vloeistof zit en het lokaas pakt, de biosensor geeft een signaal af dat wetenschappers kunnen detecteren.

De dubbelstrengige aard van het DNA in onze genen maakt dit visschema mogelijk. Normaal dubbelstrengs DNA ziet eruit als een gedraaide ladder. Maar enkelstrengs DNA ziet eruit als een kam:het bestaat uit een reeks DNA-letters, of bases, die uit de ruggengraat omhoog steken en die op zoek zijn naar een andere basis om mee te paren. Wanneer complementaire sequenties op enkelstrengs DNA elkaar ontmoeten, de bases vormen de sporten van de gedraaide ladder.

Om DNA-grafeen biosensoren te ontwerpen, wetenschappers moeten begrijpen hoe DNA en grafeen op elkaar inwerken. Lin en collega's, waaronder hoofdauteur en toenmalig PNNL-postdoctoraal onderzoeker Zhiwen Tang, bevestigde een fluorescerend molecuul aan DNA dat gloeit wanneer DNA vrij zweeft om het DNA in reageerbuizen te volgen. Volgende, ze vermengden het gloeiende DNA en grafeen. Enkelstrengs DNA werd gedimd als het in contact kwam met grafeen. Maar de helderheid van dubbelstrengs DNA nam onder dezelfde omstandigheden slechts in geringe mate af. Verdere analyse met verschillende spectroscopietests toonde aan dat de interactie van grafeen met enkelstrengs DNA veel sterker is dan met zijn dubbelstrengige neef. De tests suggereerden ook dat grafeen de structuur van enkelstrengs DNA veranderde.

Om erachter te komen of enkelstrengs DNA van het grafeen kan worden gehaald door het dubbelstrengs te maken, de onderzoekers voegden er duidelijk aan toe, enkelstrengs DNA met een complementaire sequentie van DNA-basen. Het originele enkelstrengs DNA schitterde opnieuw. Dit gaf aan dat de oorspronkelijke enkele DNA-streng was gecombineerd met de toegevoegde DNA-streng en een nieuw molecuul had gevormd dat loskwam van het oppervlak van grafeen.

De wetenschappers testten vervolgens hoe kieskeurig het enkelstrengs DNA op het grafeen was over partners. Ze plaatsten de grafeen-DNA-biosensoren in twee verschillende reageerbuizen. In een, ze voegden een complementaire DNA-streng toe met basen die perfect overeenkwamen met het DNA dat al aan het grafeen was gehecht. In de andere, ze plaatsten een complementaire DNA-streng met één base die niet overeenkwam met de originele DNA-streng op het grafeenoppervlak.

Beiden gaven meer licht af nadat het complementaire DNA was ingebracht. Maar het licht van de buis met de perfect op elkaar afgestemde DNA-strengen was twee keer helderder dan van de buis met de enigszins niet op elkaar afgestemde DNA-strengen. Het vermogen om te identificeren of een doel-DNA-streng is gevonden binnen één basematch - hoge specificiteit genoemd - zou grafeen-DNA-biosensoren nauwkeuriger moeten maken dan andere, conventionele lineaire DNA-biosensoren, schreven de wetenschappers.

Grafeen helpt ook om DNA duurzaam te maken, leerden de wetenschappers. Ze plaatsten twee soorten enkelstrengs DNA - een die was vastgemaakt aan grafeen, en een andere die vrij dreef - in reageerbuizen. Ze voegden aan beide DNAse toe - een enzym dat DNA opkauwt - en ontdekten dat de vrije DNA-strengen werden afgebroken. terwijl de grafeen-DNA-nanostructuren minstens 60 minuten intact bleven. De wetenschappers suggereerden dat deze bescherming DNA-grafeenplatforms zou kunnen maken die zeer geschikt zijn voor beeldvorming en genafgifte bij patiënten.

"Het eenvoudige ontwerp en de enorme duurzaamheid van grafeen-DNA-biosensoren maken het mogelijk om levensbedreigende ziekten te diagnosticeren, " zei Lin. "Nu zullen mijn collega's en ik kijken of het vermogen van grafeen om DNA te beschermen tegen enzymen DNA-grafeenstructuren zou kunnen helpen bij het afleveren van medicijnen aan zieke cellen of zelfs bij gentherapie."

Princeton University leverde het grafeen en PNNL's Transformational Materials Science Initiative betaalde voor deze studie. Een deel van het onderzoek is uitgevoerd bij EMSL, het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een landelijke wetenschappelijke gebruikersfaciliteit bij PNNL.