Биосенсоры на основе графена: чувствительные маркеры рака ДНК

Биосенсоры на основе графена: чувствительные маркеры рака ДНК

Маркеры рака ДНК, проходящие через кровь или сыворотку пациента, потенциально могут быть обнаружены с помощью биосенсоров на основе графена, что может привести к периоду жидкой биопсии. И наоборот, в современных конструкциях требуется много ДНК.

Исследователи из Иллинойса обнаружили, что смятый графен в сенсорах ДНК сделал его в десятки тысяч раз более чувствительным, что делает его реальной платформой для жидкой биопсии. Изображение предоставлено Мохаммадом Хейранией.

Ученые из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне провели новое исследование, которое показало, что смятый графен в сенсоре делает его в 10000 раз более восприимчивым к ДНК, создавая электрические «горячие точки».

По словам ученых, смятый графен может быть использован в самых разнообразных биосенсорных приложениях для быстрой диагностики. Исследователи опубликовали результаты своих исследований в журнале Nature Communication .

Этот датчик может обнаруживать ультранизкие концентрации молекул, которые являются маркерами заболевания, что важно для ранней диагностики. Он очень чувствительный, недорогой, простой в использовании и использует графен по-новому .

Рашид Башир, руководитель исследования и профессор биоинженерии, Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн

Башир также является деканом Технического колледжа Грейнджер в Иллинойском университете в Урбана-Шампейн.

Хотя концепция поиска характерных признаков раковых последовательностей в нуклеиновых кислотах, таких как ДНК или ее кузен РНК, не нова, это первый в мире электронный датчик для выявления следовых количеств раковых последовательностей, подобных потенциально обнаружен в сыворотке крови пациента без дополнительной обработки.

Когда у вас рак, некоторые последовательности сверхэкспрессируются. Но вместо того, чтобы секвенировать чью-то ДНК, что отнимает много времени и денег, мы можем обнаружить те специфические сегменты, которые являются биомаркерами рака в ДНК и РНК, которые выделяются из опухолей в кровь .

Майкл Хванг, первый автор исследования и доктор наук, Холоняк, лаборатория микро- и нанотехнологий, Иллинойский университет в Урбане-Шампейн

Графен представляет собой плоский углеродный лист толщиной в один атом. Это недорогой и известный материал, предназначенный для электронных датчиков. Но датчики нуклеиновых кислот, которые были разработаны до сих пор, нуждаются в процессе, известном как амплификация, при котором фрагмент РНК или ДНК выделяют и копируют несколько раз в пробирку. Но этот процесс занимает много времени и подвержен ошибкам.

Следовательно, команда Башира намеревалась повысить чувствительность графена до такой степени, чтобы образец можно было протестировать без необходимости амплификации ДНК непосредственно.

В нескольких других способах повышения электронных свойств графена использовались тщательно разработанные наноразмерные структуры. Вместо изготовления уникальных конструкций исследовательская группа из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн просто развернула тонкий пластиковый лист, затем поместила поверх него графен и, наконец, сняла напряжение в пластике. Это привело к тому, что графен растянулся и превратился в смятую поверхность.

Затем исследователи проверили способность смятого графена обнаруживать ДНК и связанную с раком микроРНК в буферном растворе, а также в неразбавленной человеческой сыворотке. Команда заметила, что производительность этого смятого графена увеличилась в десятки тысяч раз по сравнению с плоскими графенами.

« Это самая высокая чувствительность, когда-либо сообщаемая для электрического обнаружения биомолекулы. Раньше нам понадобилось бы десятки тысяч молекул в образце, чтобы обнаружить его. С помощью этого устройства мы могли обнаружить сигнал только с несколькими молекулами », – добавил Хванг. « Я ожидал увидеть некоторое улучшение чувствительности, но не так ».

Чтобы выяснить причину этой повышенной чувствительности, Нараяна Алуру, профессор машиностроения и науки, вместе со своей исследовательской группой использовали всестороннее компьютерное моделирование для анализа электрических свойств смятого графена и того, как ДНК физически взаимодействует с поверхность датчика.

Команда обнаружила, что полости в смятом графене вели себя как электрические точки доступа, служа ловушкой для извлечения и удержания молекул РНК и ДНК.

« Когда вы сминаете графен и создаете эти вогнутые области, молекула ДНК вписывается в кривые и полости на поверхности, так что большая часть молекулы взаимодействует с графеном и w e может обнаружить это », – заявил Мохаммад Хейранян, аспирант и соавтор исследования. « Но когда у вас плоская поверхность, другие ионы в растворе больше похожи на поверхность, чем ДНК, поэтому ДНК не сильно взаимодействует с графеном, и мы не можем ее обнаружить ».

Кроме того, когда графен был смят, в материале возникла деформация, которая изменила его электрические свойства и создала запрещенную зону – энергетическое препятствие, которое должно быть преодолено электронами для прохождения через материал. Эта запрещенная зона сделала смятый графен более чувствительным к электрическим зарядам, присутствующим в молекулах РНК и ДНК.

Этот потенциал запрещенной зоны показывает, что смятый графен может быть использован и для других применений, таких как нано-схемы, диоды или гибкая электроника.

Амир Такиеддин, соавтор и аспирант Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн

Хотя ДНК использовалась для первоначальной демонстрации чувствительности смятого графена к биологическим молекулам, последний датчик можно адаптировать для определения широкого диапазона целевых биомаркеров. Исследовательская группа Башира в настоящее время проводит испытания смятого графена в сенсорах как для малых молекул, так и для белков.

« В конечном итоге цель будет заключаться в создании картриджей для портативного устройства, которое обнаруживало бы молекулы-мишени в нескольких каплях крови, например, для контроля уровня сахара в крови. Видение состоит в том, чтобы проводить измерения быстро и в портативном формате », – заключил Башир.

Исследование финансировалось Национальным научным фондом через Научно-технический центр Иллинойских материаловедческих исследований. Алуру и Башир также связаны с Институтом передовых наук и технологий Бекмана и Лабораторией исследования материалов в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне, Иллинойс.

Источник: https://illinois.edu/

Source link