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生物傳感器晶片無線檢測SNP並具更高靈敏度

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2018/07/30
基於石墨烯的SNP檢測晶片無線傳輸信號到智能手機的插圖。圖片來源:加州大學聖地亞哥分校

由加州大學聖地亞哥分校領導的團隊開發了一種芯片,可以檢測單一核苷酸多型性(SNP)的基因突變,並將結果即時無線發送到智能手機、電腦或其他電子設備。該晶片在檢測SNP時比現有技術靈敏度至少高1000倍。

79日發表在Advanced Materials上的這一進展可能會導致更便宜、更快速和便攜的生物傳感器,用於早期檢測癌症等疾病的遺傳標記。

SNPDNA序列中單核苷酸鹼基(ACGT)的變化。它是最常見的基因突變類型。雖然大多數SNP對健康沒有明顯的影響,但有些與發展為癌症、糖尿病、心臟病、神經退行性疾​​病、自身免疫性疾病和炎症性疾病等病理狀況的風險增加有關。

傳統的SNP檢測方法有一些局限性:敏感性和特異性相對較差、需要放大才能獲得多份拷貝進行檢測、需要使用笨重的工具、無法無線工作。

由加州大學聖地亞哥分校領導的團隊開發的新型DNA生物傳感器,是一種比指甲小的無線晶片,可以檢測出溶液中以皮莫爾濃度存在的SNP

加州大學聖地亞哥分校雅各布工程學院的生物工程、機械工程和材料科學專業教授Ratnesh Lal說,DNA的小型化晶片電檢測,可以對特定DNA序列和多型性進行現場和需要時的檢測,以便及時診斷或預測未決的健康危機,包括病毒和細菌感染的流行病。

晶片基本上捕獲含有特定SNP突變的DNA鏈,然後產生無線發送到行動設備的電信號。它由一個石墨烯場效應晶體管,和一個附著在表面特殊設計的雙鏈DNA組成。這片DNA在中間彎曲,形狀像一把鑷子。這些所謂的「DNA鑷」”的一側代碼用於特定的SNP。每當具有該SNPDNA鏈接近時,它與DNA鑷子的那一側結合,打開它們並產生由石墨烯場效應晶體管檢測到的電流變化。

該項目由Lal領導,加州大學聖地亞哥分校、中國中國科學院、賓州大學,德國馬克斯普朗克生物物理化學研究所和中國內蒙古農業大學醫學工程研究所團隊共同參與。

DNA鏈置換
驅動這項技術的是一種稱為DNA鏈置換的分子過程─當DNA雙螺旋交換其中一條鏈用於新的互補鏈時。在這種情況下,DNA鑷子用一個特定的SNP將它們的一條交換成一條。

由於DNA鑷子的特殊設計方式,這是可能的。其中一條鍊是「正常」鏈,其附著於石墨烯晶體管並含有特定SNP的互補序列。另一種是「弱」鏈,其中一些核苷酸被不同分子取代,以削弱其與正常鏈的鍵。含有SNP的鏈,能夠更強地與正常鏈結合併置換弱鏈。這使得DNA鑷子具有可以由石墨烯晶體管容易地檢測到的淨電荷。

新的和改進的SNP 檢測晶片
這項工作建立在Lal 團隊之前與加州大學聖地亞哥醫學工程學院,和加州大學聖地亞哥分校研究科學家Gennadi Glinksy,合作開發的第一個無標記和無擴增電子SNP 檢測晶片的基礎上。新晶片增加了無線功能,其靈敏度至少比其前代產品高1000倍。

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DNA鑷子(上圖)與內置於前一晶片(下圖)的DNA探針比較DNA鏈置換。圖片來源:加州大學聖地亞哥分校,由Deependra Kumar Ban提供)

新晶片如此敏感的原因是DNA鑷子的設計。當含有SNP的鏈結合時,它打開DNA鑷子,改變它們的幾何形狀,使它們幾乎平行於石墨烯表面。這使得DNA的淨電荷接近石墨烯表面,從而產生更大的信號。相比之下,內置於先前晶片中的DNA探針具有不能更接近石墨烯表面的結構,因此在結合含SNP的鏈時,產生較弱的信號。

接下來的步驟包括設計陣列晶片以在單次測試中檢測多達數十萬個SNP。未來的研究將涉及測試從動物或人類採集的血液,和其他體液樣品的晶片。