Sjukdomsupptäckt i ett tidigt skede är en av de största utmaningarna som biokemister och materialforskare försöker möta genom att kombinera sin expertis vid Missouri S&T. Forskarna använde nanoteknik i biomedicinsk diagnostik – en process som kallas nanodiagnostik – för att skapa en ny, ultrakänslig DNA-biosensor. Den nya sensorn kan potentiellt upptäcka DNA-baserade biomarkörer för tidig diagnos av cancer och genetiska störningar, samt övervaka patienternas svar på terapier.

En grundläggande elektrokemisk biosensor består av ett biologiskt igenkänningselement, en signalomvandlare och en processor. Dessa biosensorer detekterar, överföra och registrera information om biologiska ämnen, såsom nukleinsyror (DNA och RNA), proteiner, antikroppar, antigener, och andra biologiska komponenter, som glukos.

"Biosensing med nanomaterial har fördelarna med större känslighet och snabbare respons än traditionella analysmetoder som kräver dagens medicinska utrustning och tidskrävande tekniker för molekylär amplifiering, " säger Dr Risheng Wang, biträdande professor i kemi vid Missouri S&T och huvudutredare av studien.

Forskarna gjorde den nya biosensorn från kolnanorör och guldnanopartiklar, vilket ger den en 3D radiell form som liknar en sjöborre. Wang säger att biosensorn genererade ett anmärkningsvärt elektrokemiskt svar.

"Eftersom kombinationen av kolnanorör och guldnanopartiklar gav en större än normalt, superledande kontaktyta, vi fann att denna biosensor kunde detektera nukleinsyrorna med ultralåg förekomst i komplexa biologiska medier, " säger Dr Wenyan Liu, biträdande forskningsprofessor i kemi vid Missouri S&T. "Det var också mycket selektivt när det gällde att urskilja enstaka felmatchade DNA från helt matchade DNA. Denna typ av nanodiagnostiska system är en potentiell kandidat för medicinska mätningar på grund av dess utmärkta stabilitet och möjlighet till miniatyrisering."

Studien, "Etikettfri och ultrakänslig elektrokemisk DNA-biosensor baserad på urchinliknande kolnanorör-guld nanopartikelnanokluster, " publicerades idag av ACS (American Chemical Society) Publications den 7 april, 2020, tidning, Analytisk kemi , och med på omslaget till numret.

S&T-samarbetspartners inkluderar motsvarande författare Liu, och medförfattare Dr Shou Han, en före detta postdoktor i kemi som nu är vid University of Missouri-Kansas City. Dr Ming Zheng, forskningskemist vid National Institute of Standards and Technology i Gaithersburg, Maryland, var också medförfattare till forskningen.

Under de senaste två åren, Wangs NSF-finansierade biokemiska forskning har också fokuserat på att utveckla DNA-baserade origami nanostrukturer för cancerbekämpande läkemedelsleverans och som sonder för att identifiera mikroRNA för användning som molekylära biomarkörer för tidig diagnos av cancer och andra sjukdomar. NSF har finansierat hennes arbete med utvecklingen av egenmonterade DNA-nanostrukturer för att tillverka en ny generation av molekylära elektroniska kretsar för miniatyrisering av datorer och andra elektroniska enheter.