新型DNA生物传感器是一款比指甲盖还小的无线芯片

李倩 发表于 2018-07-17 10:41:35 收藏 已收藏
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新型DNA生物传感器是一款比指甲盖还小的无线芯片

李倩 发表于 2018-07-17 10:41:35

据麦姆斯咨询报道,由加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)领导的研究小组开发出一款芯片,能够检测到一种被称为单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,以下简称SNP)的基因突变,该芯片能够将结果实时、无线传输到电脑、智能手机或其它电子设备。芯片感测SNP的灵敏度至少是目前可用技术的1000倍。

基于石墨烯的SNP检测芯片将信号无线传输到智能手机

《先进材料》(Advanced Materials)于7月9日报道了研究团队的成果,此项研究为价格更低、速度更快、便携性更强的生物传感器实现及早检测出如癌症等疾病遗传标记铺平了道路。

SNP被视为DNA序列中单核苷酸碱基(A、C、G或T)的变化。这是典型的基因突变类型。大多数SNP对健康没有明显影响,但也有少数会增加发生病理状况的风险,如糖尿病、癌症、神经退行性疾病、心脏病、自身免疫性疾病和炎症性疾病。

传统的SNP检测技术有几大限制:它们的特异性和敏感性相对较差;它们需要使用的仪器较为笨重;它们需要扩增以获得许多基因副本用于检测;它们无法无线运行。

由加州大学圣地亚哥分校研究团队领导所创建的新型DNA生物传感器是一款比指甲盖还小的无线芯片,能够检测到溶液中极微量浓度的SNP。

加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院(Jacobs School of Engineering)生物工程、机械工程和材料科学系的教授Ratnesh Lal表示,“基于微型芯片的DNA电子检测装置可以对特定DNA序列和多态性进行现场和按需检测,以便及时诊断或预测即将发生的健康危机,包括基于病毒和细菌感染的流行病。”

芯片本质上捕获包含特定SNP突变的DNA链,然后产生能够无线传输到移动设备的电信号。它包括石墨烯场效应晶体管,其特殊设计的双链DNA可以附着在表面上。这段DNA在中间弯曲,其形状像是一把镊子。这些“DNA镊子”一面用于特定SNP的编码。每当具有该SNP的DNA链接近时,它与“DNA镊子”的那一侧结合,将其打开并引起电流变化,通过石墨烯场效应晶体管进行感测。

该项目由Lal主导,加州大学圣地亚哥分校医学工程研究院、中国科学院、宾夕法尼亚大学、德国马普生物物理化学研究所(Max Planck Institute for Biophysical Chemistry)和内蒙古农业大学都参与了这一研究。

DNA链置换

驱动该技术的是一种被称为DNA链置换的分子过程。其中的DNA双螺旋交换其中一条链用于新的互补链。在这种情况下,“DNA镊子”用一条特定的SNP交换其中的一条链。

由于“DNA镊子”的特殊设计而使上述描述成为可能。其中一条链是“正常”链,其与石墨烯晶体管结合并包含用于特定SNP的互补序列。另一条是“弱”链,其中一些核苷酸被不同的分子取代以弱化其与正常链的结合。包含SNP的链能够更有力地附着于正常链并移除弱链,使得“DNA镊子”具有可以被石墨烯晶体管轻松感测到的净电荷。

全新改进后的SNP检测芯片

该研究基于Lal团队此前与加州大学圣地亚哥分校医学工程研究院研究科学家Gennadi Glinksy,以及其它加州大学圣地亚哥分校研究人员合作开发的第一款无标记和无扩增的电子SNP检测芯片。全新的芯片具有额外的无线功能,至少比其前身灵敏1000倍。

“DNA镊子”的设计赋予新款芯片的高度灵敏度。当包含SNP的链附着时,它打开“DNA镊子”,改变它们的几何形状,使它们几乎平行于石墨烯表面。DNA的净电荷接近石墨烯表面,从而产生更大的信号。相反,嵌入先前芯片中的DNA探针具有不能接近石墨烯表面的结构,因此在结合包含SNP的链时产生较弱的信号。

展望未来,研究人员计划设计能够在单次检测中检测多达数十万个SNP的阵列芯片。未来的研究还将涉及到测试从人类或动物身上采集血液和其它体液样本的芯片。

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