«Мы находимся в авангарде разработки быстрого и недорогого цифрового метода обнаружения генных мутаций с высоким разрешением — в масштабе одного нуклеотидного изменения в последовательности нуклеиновой кислоты», — сказал Ратнеш Лал, профессор биоинженерии, машиностроения и материалов. наук в инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего.Технология, которая находится на стадии проверки концепции, является первым шагом к биосенсорному чипу, который может быть имплантирован в тело для обнаружения конкретной мутации ДНК — в реальном времени — и передачи информации по беспроводной сети на мобильный телефон. устройство, такое как смартфон или ноутбук.Команда под руководством Лала, который является содиректором Центра передового опыта в области наномедицины и инженерии, подцентра Института инженерии в медицине (IEM) Калифорнийского университета в Сан-Диего, и Геннадия Глинского, научного сотрудника IEM , разработала новый метод обнаружения наиболее распространенной генетической мутации, называемой однонуклеотидным полиморфизмом (SNP), которая представляет собой вариацию одного нуклеотидного основания (A, C, G или T) в последовательности ДНК.
Хотя большинство SNP не оказывают заметного воздействия на здоровье, некоторые из них связаны с патологическими состояниями, такими как рак, диабет, болезни сердца, нейродегенеративные расстройства, аутоиммунные и воспалительные заболевания.Современные методы обнаружения SNP относительно медленны, дороги и требуют использования громоздкого оборудования. «Мы разрабатываем быстрый, простой, недорогой и портативный способ обнаружения SNP с помощью небольшого чипа, который может работать с вашим мобильным телефоном», — сказал Престон Лэндон, научный сотрудник исследовательской группы Лала и соавтор статьи PNAS. .Чип состоит из зонда ДНК, встроенного в полевой транзистор с графеновым эффектом. ДНК-зонд представляет собой сконструированный фрагмент двухцепочечной ДНК, который содержит последовательность, кодирующую определенный тип SNP. Чип специально разработан и изготовлен для захвата молекул ДНК (или РНК) с однонуклеотидной мутацией — всякий раз, когда эти фрагменты ДНК (или РНК) связываются с зондом, вырабатывается электрический сигнал.
Чип, по сути, работает, выполняя смещение цепи ДНК, процесс, в котором двойная спираль ДНК заменяет одну цепь другой комплементарной цепью. Новая комплементарная цепь, которая в данном случае содержит однонуклеотидную мутацию, сильнее связывается с одной из цепей двойной спирали и вытесняет другую цепь.
В этом исследовании ДНК-зонд представляет собой двойную спираль, содержащую две комплементарные цепи ДНК, которые сконструированы так, чтобы слабо связываться друг с другом: «нормальная» цепь, которая прикреплена к графеновому транзистору, и «слабая» цепь, в которой четыре буквы G в последовательности были заменены на инозины, чтобы ослабить его связь с нормальной цепью. Нити ДНК, которые имеют идеально совпадающую комплементарную последовательность с нормальной цепью — другими словами, цепи, содержащие SNP — будут связываться с нормальной цепью и сбивать слабую цепь. Исследователи сконструировали чип для генерации электрического сигнала, когда цепь, содержащая SNP, связывается с зондом, что позволило быстро и легко обнаружить SNP в образце ДНК.Исследователи отметили, что новой особенностью их чипа является то, что зонд ДНК прикреплен к графеновому транзистору, что позволяет чипу работать в электронном виде. «Изюминкой этого исследования является то, что мы показали, что мы можем выполнять смещение цепи ДНК на графеновом полевом транзисторе.
Это первый пример объединения динамической нанотехнологии ДНК с электронным зондированием высокого разрешения. Результатом является технология, которая потенциально может быть используется с вашими беспроводными электронными устройствами для обнаружения SNP », — сказал Майкл Хван, аспирант по материаловедению в Калифорнийском университете в Сан-Диего и соавтор исследования.
Использование зонда двухцепочечной ДНК в технологии, разработанной командой Лала, является еще одним улучшением по сравнению с другими методами обнаружения SNP, которые обычно используют зонды одноцепочечной ДНК. При использовании двухцепочечного ДНК-зонда только цепь ДНК, которая идеально соответствует нормальной цепи, способна вытеснить слабую цепь. «Одноцепочечный ДНК-зонд не обеспечивает такой селективности — даже цепь ДНК, содержащая одно несовпадающее нуклеотидное основание, может связываться с зондом и давать ложноположительные результаты», — сказал Лал.
Еще одно преимущество зонда с двухцепочечной ДНК состоит в том, что зонд может быть длиннее, что позволяет чипу обнаруживать SNP на более длинных участках ДНК. В этом исследовании Лал и его команда сообщили об успешном обнаружении SNP с помощью зонда длиной 47 нуклеотидов — самого длинного ДНК-зонда, который до сих пор использовался для обнаружения SNP, говорят исследователи.Кроме того, более длинный зонд гарантирует, что обнаруживаемая последовательность ДНК уникальна в геноме. «Мы ожидали, что с помощью более длинного зонда мы сможем разработать надежный чип обнаружения SNP, специфичный для последовательности.
Действительно, мы достигли высокого уровня чувствительности и специфичности с помощью разработанной нами технологии», — сказал Лал.Следующие шаги включают масштабирование технологии и добавление к чипу возможностей беспроводной связи. В дальнейшем исследователи планируют испытать чип в клинических условиях и использовать его для проведения жидкостной биопсии.
Они также предполагают, что технология может привести к новому поколению диагностических методов и индивидуализированных методов лечения в медицине.