Bioingenjörer vid University of California, San Diego har utvecklat ett elektriskt grafenchip som kan upptäcka mutationer i DNA. Forskare säger att tekniken en dag kan användas i olika medicinska tillämpningar som blodbaserade tester för tidig cancerscreening, övervakning av sjukdomsbiomarkörer och realtidsdetektering av virala och mikrobiella sekvenser. Förskottet publicerades den 13 juni i den tidiga onlineupplagan av Förfaranden från National Academy of Sciences .

"Vi ligger i framkant när det gäller att utveckla en snabb och billig digital metod för att upptäcka genmutationer med hög upplösning - på skalan av en enda nukleotidförändring i en nukleinsyrasekvens, sa Ratnesh Lal, professor i bioteknik, maskinteknik och materialvetenskap vid Jacobs School of Engineering vid UC San Diego.

Teknologin, som är i ett proof-of-concept-stadium, är ett första steg mot ett biosensorchip som kan implanteras i kroppen för att upptäcka en specifik DNA-mutation – i realtid – och överföra informationen trådlöst till en mobil enhet som en smartphone eller bärbar dator.

Teamet ledd av Lal, som fungerar som meddirektör för Center of Excellence for Nano-Medicine and Engineering, ett undercenter till Institute of Engineering in Medicine (IEM) vid UC San Diego, och Gennadi Glinsky, en forskare vid IEM, utvecklat en ny teknik för att upptäcka den vanligaste genetiska mutationen som kallas en enkelnukleotidpolymorfism (SNP), som är en variant av en enda nukleotidbas (A, C, G eller T) i DNA-sekvensen. Medan de flesta SNP inte har någon märkbar effekt på hälsan, vissa är förknippade med patologiska tillstånd som cancer, diabetes, hjärtsjukdom, neurodegenerativa störningar, autoimmuna och inflammatoriska sjukdomar.

Nuvarande SNP-detektionsmetoder är relativt långsamma, dyra och kräver användning av besvärlig utrustning. "Vi utvecklar en snabb, lätt, billigt och portabelt sätt att upptäcka SNP:er med hjälp av ett litet chip som kan fungera med din mobiltelefon, sa Preston Landon, en forskare i Lals forskargrupp och medförfattare på PNAS-tidningen.

Chipet består av en DNA-sond inbäddad på en grafenfälteffekttransistor. DNA-sonden är en konstruerad bit av dubbelsträngat DNA som innehåller en sekvens som kodar för en specifik typ av SNP. Chipet är specifikt konstruerat och tillverkat för att fånga DNA (eller RNA) molekyler med den enda nukleotidmutationen - närhelst dessa bitar av DNA (eller RNA) binder till sonden, en elektrisk signal alstras.

Chipet fungerar i huvudsak genom att utföra DNA-strängförskjutning, processen där en dubbelspiral med DNA byter ut en sträng mot en annan komplementär sträng. Den nya kompletterande delen – som, I detta fall, innehåller den enkla nukleotidmutationen – binder starkare till en av strängarna i dubbelhelixen och förskjuter den andra strängen. I den här studien, DNA-sonden är en dubbelspiral som innehåller två komplementära DNA-strängar som är konstruerade för att binda svagt till varandra:en "normal" sträng, som är fäst vid grafentransistorn, och en "svag" tråd, där fyra G:en i sekvensen ersattes med inosiner för att försvaga dess bindning till den normala strängen. DNA-strängar som har den perfekt matchande komplementära sekvensen till den normala strängen – med andra ord, strängar som innehåller SNP—kommer att binda till den normala strängen och slå av den svaga strängen. Forskare konstruerade chippet för att generera en elektrisk signal när en SNP-innehållande sträng binder till sonden, möjliggör snabb och enkel SNP-detektion i ett DNA-prov.

Forskare påpekade att en ny egenskap hos deras chip är att DNA-sonden är fäst vid en grafentransistor, vilket gör att chippet kan köras elektroniskt. "En höjdpunkt i den här studien är att vi har visat att vi kan utföra DNA-strängförskjutning på en grafenfälteffekttransistor. Detta är det första exemplet på att kombinera dynamisk DNA-nanoteknologi med högupplöst elektronisk avkänning. Resultatet är en teknologi som potentiellt kan vara används med dina trådlösa elektroniska enheter för att upptäcka SNP, sa Michael Hwang, en materialvetenskaplig doktorand vid UC San Diego och medförfattare till studien.

Användningen av en dubbelsträngad DNA-sond i den teknologi som utvecklats av Lals team är en annan förbättring jämfört med andra SNP-detektionsmetoder, som vanligtvis använder enkelsträngade DNA-sonder. Med en dubbelsträngad DNA-sond, endast en DNA-sträng som är en perfekt matchning med den normala strängen kan förskjuta den svaga strängen. "En enkelsträngad DNA-sond ger inte denna selektivitet - även en DNA-sträng som innehåller en felmatchande nukleotidbas kan binda till sonden och generera falskt positiva resultat, " sa Lal.

En annan fördel med en dubbelsträngad DNA-sond är att sonden kan vara längre, gör det möjligt för chipet att upptäcka en SNP inom längre DNA-sträckor. I den här studien, Lal och hans team rapporterade framgångsrik SNP-detektion med en sond som var 47 nukleotider lång - den längsta DNA-sonden som hittills har använts vid SNP-detektion, sa forskare.

Också, en längre sond säkerställer att DNA-sekvensen som detekteras är unik i genomet. "Vi förväntade oss att med en längre sond, vi kan utveckla ett pålitligt sekvensspecifikt SNP-detektionschip. Verkligen, vi har uppnått en hög nivå av känslighet och specificitet med den teknik vi har utvecklat, " sa Lal.

Nästa steg inkluderar att skala upp tekniken och lägga till trådlös kapacitet till chippet. Längre ner på vägen, forskare föreställer sig att testa chipet i kliniska miljöer och använda det för att utföra flytande biopsier. De föreställer sig också att tekniken kan leda till en ny generation diagnostiska metoder och personliga behandlingar inom medicinen.