En illustration av hur fluorescensmärkt DNA interagerar med funktionaliserad grafen. Både enkelsträngat DNA (A) och dubbelsträngat DNA (B) adsorberas på en grafenyta, men interaktionen är starkare med ssDNA, vilket gör att fluorescensen på ssDNA:t mörknar mer. C) Ett kompletterande DNA närmar sig ssDNA och får det adsorberade ssDNA att lossna från grafenytan. D) DNA adsorberat på grafen skyddas från att brytas ned av enzymer.
(PhysOrg.com) -- Grafen och DNA kan kombineras för att skapa en stabil och exakt biosensor, rapporterar en studie publicerad i nanotekniktidskriften Small. Den lilla biosensorn kan så småningom hjälpa läkare och forskare att bättre förstå och diagnostisera sjukdom.
Forskare vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory och Princeton University visade att enkelsträngat DNA starkt interagerar med grafen, ett nanomaterial gjord av ark av kolatomer bara en enda atom tjock. De fann också att grafen skyddar DNA från att brytas ned av enzymer som liknar de som finns i kroppsvätskor - en egenskap som borde göra grafen-DNA-biosensorer mycket hållbara.
"Graphene är av stort intresse eftersom det har flera unika egenskaper, inklusive att vara enkel och relativt billig att göra, " sa PNNL-kemist Yuehe Lin, tidningens motsvarande författare. "Men väldigt få hade systematiskt utforskat hur grafen interagerade med DNA med hjälp av flera spektroskopiska tekniker tills vi tog en titt. Vi fann att de är ganska paret."
Forskare har undersökt potentialen för nanoteknik - eller små material som bara är en miljarddels meter stora - i flera decennier. Ett växande antal forskare fokuserar på grafen eftersom det är supraledande, är exceptionellt stark och har en stor yta. Det är också lättare att tillverka och använda än andra nanomaterial, som kolnanorör. Nanoteknik kan hjälpa till att skapa nya läkemedel, leverera medicin och utveckla sjukdomsdetekterande biosensorer.
En grafen-DNA-biosensor skulle upptäcka sjukdomar genom att fiska efter molekyler som är involverade i sjukdomar. Som att dra en mask på en krok, forskare skulle placera DNA från en gen som är känd för att bidra till en sjukdoms utveckling på en bit grafen. Forskarna skulle sedan doppa biosensorkroken i behandlat blod, saliv eller annan kroppsvätska. Om DNA från den sjukdomsframkallande genen finns i vätskan och tar betet, biosensorn avger en signal som forskare kan upptäcka.
Den dubbelsträngade naturen hos DNA i våra gener gör detta fiskeschema möjligt. Normalt dubbelsträngat DNA ser ut som en vriden stege. Men enkelsträngat DNA ser ut som en kam:det består av en sekvens av DNA-bokstäver, eller baser, som sticker upp från ryggraden och som letar efter en annan bas att para ihop med. När komplementära sekvenser på enkelsträngat DNA möts, baserna bildar stegpinnarna på den vridna stegen.
För att designa DNA-grafens biosensorer, forskare måste förstå hur DNA och grafen samverkar. Lin och kollegor, inklusive huvudförfattare och dåvarande PNNL-postdoktor Zhiwen Tang, fäst en fluorescerande molekyl till DNA som lyser när DNA flyter fritt för att följa DNA i provrör. Nästa, de blandade det glödande DNA:t och grafen. Enkelsträngat DNA bleknade när det kom i kontakt med grafen. Men ljusstyrkan hos dubbelsträngat DNA minskade endast något under samma förhållanden. Ytterligare analys med flera spektroskopi-tester visade att grafens interaktion med enkelsträngat DNA är mycket starkare än med dess dubbelsträngade kusin. Testerna antydde också att grafen förändrade enkelsträngat DNA:s struktur.
För att ta reda på om enkelsträngat DNA kunde fångas bort från grafenet genom att göra det dubbelsträngat, forskarna tillade vanligt, enkelsträngat DNA som hade en komplementär sekvens av DNA-baser. Det ursprungliga enkelsträngade DNA:t lyste på nytt. Detta indikerade att den ursprungliga enkla DNA-strängen hade kombinerats med den tillsatta DNA-strängen och bildat en ny molekyl som lossnade från grafens yta.
Forskarna testade sedan hur kräsen det enkelsträngade DNA:t på grafen handlade om partners. De placerade grafen-DNA-biosensorerna i två olika provrör. I ett, de lade till en komplementär DNA-sträng med baser som passade perfekt till det DNA som redan var fäst vid grafenet. I den andra, de placerade en komplementär DNA-sträng som hade en bas som inte parade ihop med den ursprungliga DNA-strängen på grafenytan.
Båda avgav mer ljus efter det komplementära DNA:t infördes. Men ljuset från röret med de perfekt matchade DNA-strängarna var två gånger starkare än från röret med de något felmatchade DNA-strängarna. Förmågan att identifiera om en mål-DNA-sträng har hittats inom en basmatchning - kallad hög specificitet - borde göra grafen-DNA-biosensorer mer exakta än andra, konventionella linjära DNA-biosensorer, skrev forskarna.
Grafen hjälper också till att göra DNA hållbart, forskarna lärde sig. De placerade två typer av enkelsträngat DNA - ett som var fäst vid grafen, och en annan som var fritt flytande - i provrör. De lade till DNAse - ett enzym som tuggar upp DNA - till båda och fann att de fria DNA-strängarna bröts ner, medan grafen-DNA-nanostrukturerna förblev intakta i minst 60 minuter. Forskarna föreslog att detta skydd skulle kunna göra DNA-grafenplattformar som är väl lämpade för avbildning och genleverans hos patienter.
"Den enkla designen och den enorma hållbarheten hos grafen-DNA-biosensorer gör det möjligt att diagnostisera livshotande sjukdomar med dem, ", sa Lin. "Nu kommer mina kollegor och jag att se om grafens förmåga att skydda DNA mot enzymer kan hjälpa DNA-grafenstrukturer att leverera läkemedel till sjuka celler eller till och med hjälpa till med genterapi."
Princeton University tillhandahöll grafen och PNNL:s Transformational Materials Science Initiative betalade för denna studie. En del av forskningen genomfördes vid EMSL, the Environmental Molecular Sciences Laboratory, en nationell vetenskaplig användaranläggning belägen på PNNL.
