Bio-ingenieurs aan de Universiteit van Californië, San Diego heeft een elektrische grafeenchip ontwikkeld die mutaties in DNA kan detecteren. Onderzoekers zeggen dat de technologie op een dag kan worden gebruikt in verschillende medische toepassingen, zoals op bloed gebaseerde tests voor vroege kankerscreening, monitoring van ziektebiomarkers en realtime detectie van virale en microbiële sequenties. Het voorschot werd op 13 juni gepubliceerd in de online vroege editie van Proceedings van de National Academy of Sciences .

"We lopen voorop bij het ontwikkelen van een snelle en goedkope digitale methode om genmutaties met hoge resolutie te detecteren - op de schaal van een enkele nucleotideverandering in een nucleïnezuursequentie, " zei Ratnesh Lal, hoogleraar bio-engineering, werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Jacobs School of Engineering aan de UC San Diego.

De technologie, die zich in een proof-of-concept-fase bevindt, is een eerste stap in de richting van een biosensorchip die in het lichaam kan worden geïmplanteerd om een ​​specifieke DNA-mutatie in realtime te detecteren en de informatie draadloos naar een mobiel apparaat zoals een smartphone of laptop te verzenden.

Het team onder leiding van Lal, die fungeert als co-directeur van het Centre of Excellence for Nano-Medicine and Engineering, een subcentrum van het Institute of Engineering in Medicine (IEM) aan de UC San Diego, en Gennadi Glinsky, een onderzoeker bij IEM, een nieuwe techniek ontwikkeld om de meest voorkomende genetische mutatie te detecteren, een single nucleotide polymorphism (SNP), wat een variatie is van een enkele nucleotidebase (A, C, G of T) in de DNA-sequentie. Hoewel de meeste SNP's geen waarneembaar effect hebben op de gezondheid, sommige zijn geassocieerd met pathologische aandoeningen zoals kanker, suikerziekte, hartziekte, neurodegeneratieve aandoeningen, auto-immuunziekten en ontstekingsziekten.

De huidige SNP-detectiemethoden zijn relatief traag, duur en vereist het gebruik van omslachtige apparatuur. "We ontwikkelen een snelle, eenvoudig, goedkope en draagbare manier om SNP's te detecteren met een kleine chip die met uw mobiele telefoon kan werken, " zei Preston Landon, een onderzoekswetenschapper in de onderzoeksgroep van Lal en co-eerste auteur van het PNAS-papier.

De chip bestaat uit een DNA-sonde ingebed in een grafeen-veldeffecttransistor. De DNA-probe is een geconstrueerd stuk dubbelstrengs DNA dat een sequentie bevat die codeert voor een specifiek type SNP. De chip is speciaal ontworpen en gefabriceerd om DNA (of RNA) moleculen te vangen met de enkele nucleotide mutatie - wanneer deze stukjes DNA (of RNA) binden aan de probe, een elektrisch signaal wordt geproduceerd.

De chip werkt in wezen door DNA-strengverplaatsing uit te voeren, het proces waarbij een dubbele DNA-helix de ene streng verwisselt voor een andere complementaire streng. De nieuwe complementaire streng - die, in dit geval, bevat de enkele nucleotide-mutatie - bindt sterker aan een van de strengen in de dubbele helix en verdringt de andere streng. In dit onderzoek, de DNA-sonde is een dubbele helix die twee complementaire DNA-strengen bevat die zijn ontworpen om zwak aan elkaar te binden:een "normale" streng, die is bevestigd aan de grafeentransistor, en een "zwakke" streng, waarin vier de G's in de reeks werden vervangen door inosines om de binding aan de normale streng te verzwakken. DNA-strengen die de perfect passende complementaire sequentie hebben met de normale streng, met andere woorden, strengen die de SNP bevatten - zullen binden aan de normale streng en de zwakke streng afstoten. Onderzoekers hebben de chip ontworpen om een ​​elektrisch signaal te genereren wanneer een SNP-bevattende streng aan de sonde bindt, waardoor snelle en gemakkelijke SNP-detectie in een DNA-monster mogelijk is.

Onderzoekers wezen erop dat een nieuw kenmerk van hun chip is dat de DNA-sonde is bevestigd aan een grafeentransistor, waardoor de chip elektronisch kan werken. "Een hoogtepunt van deze studie is dat we hebben aangetoond dat we DNA-strengverplaatsing kunnen uitvoeren op een grafeen-veldeffecttransistor. Dit is het eerste voorbeeld van het combineren van dynamische DNA-nanotechnologie met elektronische detectie met hoge resolutie. Het resultaat is een technologie die mogelijk kan worden gebruikt met uw draadloze elektronische apparaten om SNP's te detecteren, " zei Michael Hwang, een materiaalkunde-promovendus aan UC San Diego en co-eerste auteur van de studie.

Het gebruik van een dubbelstrengs DNA-probe in de technologie die is ontwikkeld door Lal's team is een andere verbetering ten opzichte van andere SNP-detectiemethoden, die typisch enkelstrengs DNA-probes gebruiken. Met een dubbelstrengs DNA-sonde, alleen een DNA-streng die perfect overeenkomt met de normale streng kan de zwakke streng verdringen. "Een enkelstrengs DNA-sonde biedt deze selectiviteit niet - zelfs een DNA-streng die één niet-overeenkomende nucleotidebase bevat, kan aan de sonde binden en vals-positieve resultaten genereren, ' zei Lala.

Een ander voordeel van een dubbelstrengs DNA-probe is dat de probe langer, waardoor de chip een SNP kan detecteren binnen langere stukken DNA. In dit onderzoek, Lal en zijn team rapporteerden succesvolle SNP-detectie met een sonde die 47 nucleotiden lang was - de langste DNA-sonde die tot nu toe is gebruikt bij SNP-detectie. aldus onderzoekers.

Ook, een langere sonde zorgt ervoor dat de DNA-sequentie die wordt gedetecteerd uniek is in het genoom. "We hadden verwacht dat met een langere sonde, kunnen we een betrouwbare sequentiespecifieke SNP-detectiechip ontwikkelen. Inderdaad, we hebben een hoge mate van gevoeligheid en specificiteit bereikt met de technologie die we hebben ontwikkeld, ' zei Lala.

De volgende stappen zijn onder meer het opschalen van de technologie en het toevoegen van draadloze mogelijkheden aan de chip. Verderop op de weg, onderzoekers stellen zich voor om de chip in klinische omgevingen te testen en te gebruiken om vloeibare biopsieën uit te voeren. Ze voorzien ook dat de technologie kan leiden tot een nieuwe generatie diagnostische methoden en gepersonaliseerde behandelingen in de geneeskunde.