基于石墨烯的生物传感器芯片可实时检测DNA突变

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新型基于石墨烯的DNA突变传感器可以实时,低成本地快速,轻松地指示各种癌症和其他威胁生命的疾病的存在

新型基于石墨烯的DNA突变传感器可以实时,低成本地快速,轻松地指示各种癌症和其他威胁生命的疾病的存在




血液中许多疾病和癌症的最常见指标之一是存在称为单核苷酸多态性(SNP)的基因突变。不幸的是,迄今为止,此类针对SNP的测试速度缓慢,麻烦且尤其是昂贵。现在,来自加利福尼亚大学圣地亚哥分校(UCSD)的研究人员团队开发了一种新的基于石墨烯的传感器,该传感器有望轻松,实时且廉价地提供测试结果。研究人员认为,这可能是早期发现和筛查许多威胁生命的疾病的突破。

SNP是在我们人体所有细胞中发现的DNA序列中单个核苷酸碱基(包含氮碱基的腺嘌呤,胞嘧啶,鸟嘌呤和胸腺嘧啶)的变异。尽管检测到的许多SNP似乎对我们的健康没有明显影响,但仍有一些与病态疾病特别相关,例如癌症,神经退行性疾病,糖尿病,心脏病和其他疾病。新的UC San Diego设备旨在检测这些SNP。

其他石墨烯传感器也能够检测到各种气体分子,甚至是挥发性化合物,但是由UCSD研究人员开发的基于石墨烯的DNA探针晶体管是通过将DNA本身直接整合到石墨烯传感器中来工作的。它通过利用称为DNA链置换的过程来做到这一点,在该过程中,DNA双螺旋的一条链被交换出并替换为互补链。

在这种情况下,DNA探针包含一个带有两个互补DNA链的双螺旋,这些互补DNA链已被改变,因此它们不会彼此牢固结合。一条链也是“正常”链,其所有核苷酸碱基均就位,并包含编码特定类型SNP的序列。“弱”链的四个鸟嘌呤核苷酸被肌苷(结晶核苷)取代,以减弱其与正常DNA链的连接。连接到石墨烯晶体管的正是这种弱化的股。

当用于检测时,任何与正常链上互补序列完美匹配并因此包含SNP的DNA链都将敲除弱化链,并将其自身附着在该链的位置。发生这种情况时,连接的晶体管会产生一个信号,指示发生了这种更换事件。

研究人员认为,目前处于概念验证阶段,这是可植入生物传感器芯片技术的开始,该技术可以检测特定的DNA突变并将数据实时无线传递给移动设备。

加州大学圣地亚哥分校的材料科学博士生迈克尔·黄(Michael Hwang)说:“这项研究的一个亮点是我们已经证明我们可以在石墨烯场效应晶体管上进行DNA链置换。” “这是将动态DNA纳米技术与高分辨率电子传感技术相结合的第一个示例。其结果是,该技术可以与您的无线电子设备一起使用来检测SNP。”

研究人员声称其双链DNA装置的优势包括,该探针具有比单链探针更具选择性的检测能力,该单链探针通常会在部分匹配时进行错误触发,并且DNA链长度的能力有所提高,包括47该团队开发了核苷酸版本,并声称是迄今为止最长的DNA SNP探针-大大提高了灵敏度。

UCSD雅各布斯工程学院的Ratnesh Lal教授说:“单链DNA探针不能提供这种选择性-即使含有一条错配核苷酸碱基的DNA链也可以与探针结合并产生假阳性结果。” “我们期望使用更长的探针,我们可以开发出可靠的序列特异性SNP检测芯片。的确,我们已经通过开发的技术实现了高水平的灵敏度和特异性。”

研究人员正在寻求最终扩大他们的新技术并为该设备增加无线功能,并有一天希望在临床试验中对其进行测试以进行真正的血液活检。他们还相信,该设备最终可能会被纳入一系列医学病理学测试中,包括那些用于早期癌症筛查的医学病理学测试,以扫描疾病的生物标志物,并实时识别和捕获病毒和微生物序列。

该研究结果最近发表在《美国国家科学院院刊》上。


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