Un team guidato dall'Università della California di San Diego ha sviluppato un chip in grado di rilevare un tipo di mutazione genetica nota come polimorfismo a singolo nucleotide (SNP) e inviare i risultati in tempo reale a uno smartphone, computer, o altro dispositivo elettronico. Il chip è almeno 1, 000 volte più sensibile nel rilevare un SNP rispetto alla tecnologia attuale.

Il vantaggio, pubblicato il 9 luglio in Materiale avanzato , potrebbe portare a costi inferiori, biosensori più veloci e portatili per la diagnosi precoce di marcatori genetici per malattie come il cancro.

Un SNP è la variazione di una singola base nucleotidica (A, C, G o T) nella sequenza del DNA. È il tipo più comune di mutazione genetica. Sebbene la maggior parte degli SNP non abbia effetti riconoscibili sulla salute, alcuni sono associati ad un aumentato rischio di sviluppare condizioni patologiche come il cancro, diabete, cardiopatia, disturbi neurodegenerativi, malattie autoimmuni e infiammatorie.

I metodi tradizionali di rilevamento degli SNP hanno diverse limitazioni:hanno una sensibilità e una specificità relativamente scarse; richiedono l'amplificazione per ottenere più copie per il rilevamento; richiedono l'uso di strumenti ingombranti; e non possono funzionare in modalità wireless.

Il nuovo biosensore del DNA sviluppato dal team guidato dall'UC San Diego è un chip wireless più piccolo di un'unghia e in grado di rilevare un SNP presente in concentrazioni picomolari in soluzione.

"Il rilevamento elettrico miniaturizzato del DNA basato su chip potrebbe consentire il rilevamento sul campo e su richiesta di sequenze e polimorfismi di DNA specifici per una diagnosi tempestiva o una prognosi di crisi sanitarie in sospeso, comprese le epidemie dovute a infezioni virali e batteriche, " disse Ratnesh Lal, professore di bioingegneria, ingegneria meccanica e scienza dei materiali presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Il chip cattura essenzialmente un filamento di DNA contenente una specifica mutazione SNP e quindi produce un segnale elettrico che viene inviato in modalità wireless a un dispositivo mobile. Consiste in un transistor ad effetto di campo al grafene con un pezzo di DNA a doppio filamento appositamente progettato attaccato alla superficie. Questo pezzo di DNA è piegato nel mezzo e ha la forma di un paio di pinzette. Un lato di questi cosiddetti codici "pinzette DNA" per uno specifico SNP. Ogni volta che un filamento di DNA con quell'SNP si avvicina, si lega a quel lato delle pinzette del DNA, aprendoli e creando un cambiamento nella corrente elettrica che viene rilevato dal transistor ad effetto di campo al grafene.

Il progetto è guidato da Lal e coinvolge i team dell'Institute of Engineering in Medicine dell'UC San Diego, Accademia cinese delle scienze in Cina, Università della Pennsylvania, Istituto Max Planck di chimica biofisica in Germania, e l'Università Agraria della Mongolia Interna in Cina.

Spostamento del filamento di DNA

Ciò che guida questa tecnologia è un processo molecolare chiamato spostamento del filamento del DNA, quando una doppia elica del DNA scambia uno dei suoi filamenti con un nuovo filamento complementare. In questo caso, le pinzette del DNA scambiano uno dei loro filamenti con uno con un particolare SNP.

Ciò è possibile grazie al modo particolare in cui sono progettate le pinzette per DNA. Uno dei fili è un filo "normale" che è collegato al transistor di grafene e contiene la sequenza complementare per uno specifico SNP. L'altro è un filamento "debole" in cui alcuni nucleotidi vengono sostituiti con una molecola diversa per indebolire i suoi legami con il filamento normale. Un filamento contenente l'SNP è in grado di legarsi più fortemente al filamento normale e spostare il filamento debole. Questo lascia le pinzette del DNA con una carica elettrica netta che può essere facilmente rilevata dal transistor al grafene.

Chip di rilevamento SNP nuovo e migliorato

Questo lavoro si basa sul primo chip di rilevamento SNP elettronico privo di etichetta e amplificazione che il team di Lal ha precedentemente sviluppato in collaborazione con Gennadi Glinksy, uno scienziato ricercatore presso l'Istituto di ingegneria in medicina della UC San Diego, e altri ricercatori dell'UC San Diego. Il nuovo chip ha aggiunto funzionalità wireless ed è almeno 1, 000 volte più sensibile del suo predecessore.

Ciò che rende il nuovo chip così sensibile è il design delle pinzette del DNA. Quando il filamento contenente SNP si lega, apre le pinzette del DNA, cambiando la loro geometria in modo che diventino quasi paralleli alla superficie del grafene. Questo porta la carica elettrica netta del DNA vicino alla superficie del grafene, dando un segnale più ampio. In contrasto, la sonda di DNA incorporata nel chip precedente ha una struttura che non può essere avvicinata alla superficie del grafene, quindi genera un segnale più debole quando si lega a un filamento contenente SNP.

I prossimi passi includono la progettazione di chip array per rilevare fino a centinaia di migliaia di SNP in un singolo test. Gli studi futuri coinvolgeranno il test del chip su campioni di sangue e altri fluidi corporei prelevati da animali o umani.