Инженеры разработали новый чип-биосенсор для обнаружения мутаций ДНК

Биоинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали электрический графеновый чип, способный обнаруживать мутации в ДНК. По мнению исследователей, эта технология в будущем может найти применение в различных медицинских областях, таких как анализ крови для раннего скрининга рака, мониторинг биомаркеров заболеваний и обнаружение вирусных и микробных последовательностей в реальном времени. Результаты работы опубликованы 13 июня в онлайн-раннем выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences.

Технология, находящаяся на стадии доказательства концепции, представляет собой первый шаг к созданию биосенсорного чипа, который можно будет имплантировать в тело для обнаружения конкретной мутации ДНК в реальном времени и беспроводной передачи информации на мобильное устройство.

Команда под руководством Ратнеша Лала и Геннади Глинского разработала новый метод обнаружения наиболее распространённой генетической мутации — однонуклеотидного полиморфизма (SNP). Это изменение одного нуклеотидного основания (A, C, G или T) в последовательности ДНК. Некоторые SNP связаны с патологическими состояниями, такими как рак, диабет, болезни сердца и нейродегенеративные расстройства.

Как работает чип

Чип состоит из ДНК-зонда, встроенного в графеновый полевой транзистор. ДНК-зонд представляет собой сконструированный двухцепочечный фрагмент ДНК, содержащий последовательность, кодирующую определённый тип SNP. Когда фрагменты ДНК или РНК с однонуклеотидной мутацией связываются с зондом, генерируется электрический сигнал.

Принцип действия основан на реакции замещения цепи ДНК. Зонд состоит из двух комплементарных цепей, слабо связанных друг с другом: «нормальной» цепи, прикреплённой к транзистору, и «слабой» цепи, в которой четыре нуклеотида G заменены на инозины для ослабления связи. Цепи ДНК, содержащие SNP и идеально комплементарные «нормальной» цепи, связываются с ней и вытесняют «слабую» цепь, что и регистрируется.

Ключевые преимущества технологии

• Комбинация методов: Это первый пример объединения динамической ДНК-нанотехнологии с высокоразрешающим электронным сенсором на графеновом транзисторе.
• Высокая избирательность: Использование двухцепочечного ДНК-зонда, в отличие от распространённых одноцепочечных, позволяет избежать ложноположительных результатов. Замещение происходит только при идеальном совпадении последовательности.
• Длинный зонд: Исследователям удалось успешно детектировать SNP с помощью зонда длиной 47 нуклеотидов — это самый длинный ДНК-зонд, использованный для подобных целей. Это обеспечивает уникальность целевой последовательности в геноме и высокую чувствительность и специфичность.

Планы на будущее

Следующие шаги включают масштабирование технологии и добавление чипу беспроводной функциональности. В перспективе исследователи планируют тестирование чипа в клинических условиях, использование для проведения жидких биопсий и создание нового поколения диагностических методов и персонализированных методов лечения.