Новая биосенсорная микросхема обнаруживает одиночный нуклеотидный полиморфизм в реальном времени с высокой чувствительностью

        

Команда во главе с Калифорнийским университетом Сан-Диего разработала чип, который может обнаружить тип генетической мутации, известный как один нуклеотидный полиморфизм (SNP), и отправить результаты в реальном времени на смартфон, компьютер или другие электронные устройство. Чип по крайней мере в 1000 раз более чувствителен при обнаружении SNP, чем текущая технология.

Перспективы, опубликованные 9 июля в Advanced Materials могут привести к более дешевым, быстрым и портативным биосенсорам для раннего выявления генетических маркеров для таких заболеваний, как рак.

SNP представляет собой изменение в одном нуклеотидном основании (A, C, G или T) в последовательности ДНК. Это наиболее распространенный тип генетической мутации. Хотя большинство SNP не оказывают заметного влияния на здоровье, некоторые из них связаны с повышенным риском развития патологических состояний, таких как рак, диабет, сердечные заболевания, нейродегенеративные расстройства, аутоиммунные и воспалительные заболевания.

Традиционные методы обнаружения SNP имеют несколько ограничений: они имеют относительно низкую чувствительность и специфичность; они требуют усиления для получения нескольких копий для обнаружения; они требуют использования громоздких инструментов; и они не могут работать по беспроводной сети.

Новый биосенсор ДНК, разработанный командой UC San Diego, является беспроводной микросхемой, которая меньше, чем ногтем, и может обнаруживать SNP, который присутствует в пикомолярных концентрациях в растворе.

«Миниатюризированное обнаружение ДНК на основе микросхем на основе микросхем может обеспечить обнаружение специфических последовательностей ДНК и полиморфизмов в полевых условиях и по требованию для своевременной диагностики или прогноза ожидающих кризисов в области здравоохранения, включая эпидемии, основанные на вирусной и бактериальной инфекции», – сказал Ратнеш Лал, профессор биоинженерии, машиностроения и материаловедения в инженерной школе Калифорнийского университета Сан-Диего Джейкобса

Чип по существу захватывает прядь ДНК, содержащую определенную мутацию SNP, а затем генерирует электрический сигнал, который отправляется беспроводным способом на мобильное устройство. Он состоит из транзистора с эффектом поля графена с специально сконструированным куском двухцепочечной ДНК, прикрепленной к поверхности. Этот фрагмент ДНК согнут около середины и сформирован как пара пинцетов. Одна сторона этих так называемых «ДНК-пинцетов» кодирует определенный SNP. Всякий раз, когда нить ДНК с этим SNP подходит, она связывается с этой стороной ДНК-пинцета, открывая их и создавая изменение электрического тока, которое обнаруживается транзистором с эффектом поля графена.

Проект возглавляет Лал и включает команды в Институте инженерии в медицине в Сан-Диего, Китайской академии наук в Китае, Пенсильванском университете, Институте биофизической химии им. Макса Планка в Германии и Сельскохозяйственном университете Внутренней Монголии в Китай.

Вытеснение нитей ДНК

Что побуждает эту технологию к молекулярному процессу, называемому смещением ДНК, – когда двойная спираль ДНК обменивает одну из своих нитей на новую комплементарную цепь. В этом случае ДНК-пинцеты заменяют один их нитей на один с определенным SNP.

Это возможно благодаря тому, как сконструированы ДНК-пинцеты. Одна из нитей представляет собой «нормальную» нить, которая присоединена к графеновому транзистору и содержит дополнительную последовательность для конкретного SNP. Другая – «слабая» цепь, в которой некоторые из нуклеотидов заменены другой молекулой, чтобы ослабить ее связи с нормальной цепью. Прядь, содержащая SNP, может сильнее связываться с нормальной цепью и вытеснять слабую цепь. Это оставляет ДНК-пинцет с электрическим электрическим зарядом, который может быть легко обнаружен графеновым транзистором.

Новый и улучшенный чип обнаружения SNP

Эта работа основана на первом чипе обнаружения SNP без метки и усиления, который команда Lal ранее разрабатывала в сотрудничестве с ученым-исследователем Института инженерии медицины Калифорнийского университета в Сан-Диего Геннадием Глинки и другими исследователями UC San Diego , Новый чип добавил возможности беспроводной связи и по крайней мере в 1000 раз более чувствителен, чем его предшественник.

Что делает новый чип настолько чувствительным, это дизайн ДНК-пинцета. Когда SNP-связывающая цепочка связывается, она открывает ДНК-пинцет, изменяя их геометрию, чтобы они стали почти параллельными поверхности графена. Это приносит чистый электрический заряд ДНК близко к поверхности графена, давая больший сигнал. Напротив, зонд ДНК, встроенный в предыдущий чип, имеет структуру, которая не может быть приближена к поверхности графена, поэтому она генерирует более слабый сигнал при связывании SNP-содержащей цепи.

Следующие шаги включают в себя проектирование массивов для обнаружения до сотни тысяч SNP в одном тесте. Будущие исследования будут включать тестирование чипа на крови и других образцах телесных жидкостей, взятых у животных или людей.

Источник:

http://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2578

      

Source link