Скомканный графен создаёт сверхчувствительный детектор ДНК рака
Биосенсоры на основе графена могут открыть эру жидкой биопсии, обнаруживая маркеры ДНК рака, циркулирующие в крови или сыворотке пациента. Однако существующим конструкциям требуется много ДНК. В новом исследовании учёные из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне обнаружили, что скомканный графен становится более чем в десять тысяч раз чувствительнее к ДНК за счёт создания электрических "горячих точек".
По словам исследователей, такой графен может использоваться в широком спектре приложений для биосенсирования и быстрой диагностики. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
"Этот сенсор может обнаруживать сверхнизкие концентрации молекул, являющихся маркерами заболеваний, что важно для ранней диагностики. Он очень чувствителен, недорог, прост в использовании и применяет графен по-новому", — заявил руководитель исследования Рашид Башир.
Хотя идея поиска характерных раковых последовательностей в нуклеиновых кислотах (ДНК или РНК) не нова, это первый электронный сенсор, способный обнаруживать очень малые количества, как в сыворотке пациента, без дополнительной обработки.
"При раке определённые последовательности сверхэкспрессируются. Но вместо того, чтобы секвенировать чью-то ДНК, что требует много времени и денег, мы можем обнаруживать те специфические сегменты, которые являются биомаркерами рака в ДНК и РНК, выделяемых опухолями в кровь", — пояснил первый автор исследования Майкл Хван.
Графен — плоский лист углерода толщиной в один атом — популярный и недорогой материал для электронных сенсоров. Однако существующие сенсоры для нуклеиновых кислот требуют процесса амплификации — выделения фрагмента и его многократного копирования в пробирке. Этот процесс длителен и может вносить ошибки. Поэтому группа Башира решила повысить чувствительность графена до уровня, позволяющего тестировать образец без предварительной амплификации ДНК.
В отличие от других подходов, требующих тщательного создания наноструктур, группа из Иллинойса просто растянула тонкий лист пластика, поместила на него графен, а затем ослабила натяжение, заставив графен сморщиться и образовать скомканную поверхность.
Они протестировали способность скомканного графена обнаруживать ДНК и связанную с раком микроРНК как в буферном растворе, так и в неразбавленной человеческой сыворотке. Результаты показали улучшение в десятки тысяч раз по сравнению с плоским графеном.
"Это самая высокая чувствительность из когда-либо зарегистрированных для электрического обнаружения биомолекулы. Раньше нам требовались десятки тысяч молекул в образце. С этим устройством мы можем обнаружить сигнал всего от нескольких молекул", — сказал Хван.
Чтобы определить причину такого усиления, профессор Нараяна Алуру и его группа использовали компьютерное моделирование для изучения электрических свойств скомканного графена и того, как ДНК физически взаимодействует с поверхностью сенсора.
Они обнаружили, что впадины служат электрическими "горячими точками", действуя как ловушки для привлечения и удержания молекул ДНК и РНК.
"Когда вы сминаете графен и создаёте вогнутые области, молекула ДНК помещается в изгибы и полости на поверхности, поэтому большая часть молекулы взаимодействует с графеном, и мы можем её обнаружить. На плоской поверхности другие ионы в растворе взаимодействуют с поверхностью сильнее, чем ДНК", — объяснил соавтор исследования Мохаммад Хейраниан.
Кроме того, сминание графена создало в материале деформацию, которая изменила его электрические свойства, вызвав запрещённую зону — энергетический барьер, который должны преодолеть электроны. Это сделало графен более чувствительным к электрическим зарядам молекул ДНК и РНК.
"Этот потенциал запрещённой зоны показывает, что скомканный графен может использоваться и для других приложений, таких как наносхемы, диоды или гибкая электроника", — отметил соавтор Амир Такедин.
Хотя ДНК была использована в первой демонстрации чувствительности скомканного графена к биомолекулам, новый сенсор можно настроить на обнаружение широкого спектра биомаркеров. Группа Башира уже тестирует скомканный графен в сенсорах для белков и малых молекул.
"В конечном итоге цель — создавать картриджи для портативного устройства, которое бы обнаруживало целевые молекулы по нескольким каплям крови, подобно глюкометру. Замысел в том, чтобы проводить измерения быстро и в портативном формате", — заключил Башир.