UMass Amherst-forskare har flyttat fram gränserna för biomedicinsk ingenjörskonst hundrafaldigt med en ny metod för DNA-detektion med oöverträffad känslighet.
"DNA-detektering är i centrum för bioteknik", säger Jinglei Ping, huvudförfattare till artikeln som publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Ping är biträdande professor i maskin- och industriteknik, adjungerad biträdande professor i biomedicinsk teknik och knuten till Center for Personalized Health Monitoring vid Institute for Applied Life Sciences. "Alla vill upptäcka DNA i en låg koncentration med hög känslighet. Och vi har precis utvecklat den här metoden för att förbättra känsligheten med cirka 100 gånger utan kostnad."
Med traditionella detektionsmetoder, säger han, "Utmaningen är i grunden att hitta nålen i en höstack." Det finns massor av molekyler i ett prov som inte är mål-DNA som kan störa resultatet.
Det är där denna metod är annorlunda. Testprovet placeras i ett växelströmsfält. Sedan, "Vi låter DNA:t dansa", säger han. "När DNA-strängarna dansar har de en specifik oscillationsfrekvens." Forskare kan sedan läsa prover för att se om det finns en molekyl som rör sig på ett sätt som matchar rörelsen av mål-DNA:t och enkelt skilja det från olika rörelsemönster. Detta fungerar även när det finns en mycket låg koncentration av mål-DNA.
Denna nya metod har enorma konsekvenser för att påskynda upptäckt av sjukdomar. För det första, eftersom det är så känsligt, kan diagnoser ske i tidigare stadier av en sjukdomsprogression, vilket i hög grad kan påverka hälsoresultaten.
Dessutom tar den här metoden minuter, inte dagar, veckor eller månader, eftersom den är helt elektrisk. "Detta gör den lämplig för vårdcentral", säger han. "Vanligtvis tillhandahåller vi prover till ett labb och de kan ge resultaten snabbt eller långsamt, beroende på hur snabbt de går, och det kan ta 24 timmar eller längre."
Till exempel citerar han hur med en diagnos, ett biopsiprov fryses och sedan skickas till ett labb för bearbetning, vilket kan ta upp till två månader. De nästan omedelbara resultaten med denna nya metod innebär att behandlingen inte behöver vänta på laboratoriebehandlingstider.
En annan fördel:den är bärbar. Ping beskriver enheten som liknar storleken på ett blodsockertestverktyg, vilket öppnar dörrarna till förbättringar av hälsan på global nivå. "Det kan användas på platser där resurserna är begränsade. Jag åkte till ett land och läkaren går vanligtvis till en by en eller två gånger om året, och nu kanske de kan ha en bas som har den här typen av verktyg och de kommer att har chansen att testa det snabbt och enkelt."
Ping är entusiastisk över bredden av möjliga tillämpningar för denna upptäckt och säger:"Det nano-mekanoelektriska tillvägagångssättet kan också integreras med andra biotekniska teknologier, som CRISPR, för att belysa signalvägar för nukleinsyra, förstå sjukdomsmekanismer, identifiera nya läkemedelsmål och skapa personliga behandlingsstrategier, inklusive mikroRNA-inriktade terapier."
Xiaoyu Zhang, en forskarassistent från Ping Lab, kommer att hålla en muntlig presentation som är relevant för denna studie vid Biomedical Engineering Societys årsmöte den 13 oktober 2023 i Seattle, WA.
Mer information: Xiaoyu Zhang et al, Nanomechanoelectrical approach till mycket känslig och specifik etikettfri DNA-detektion, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2306130120
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of Massachusetts Amherst
