Un'illustrazione di come il DNA marcato con fluorescenza interagisce con il grafene funzionalizzato. Sia il DNA a singolo filamento (A) che il DNA a doppio filamento (B) vengono adsorbiti su una superficie di grafene, ma l'interazione è più forte con ssDNA, facendo sì che la fluorescenza sul ssDNA si scurisca maggiormente. C) Un DNA complementare si avvicina al ssDNA e provoca il distacco del ssDNA adsorbito dalla superficie del grafene. D) Il DNA adsorbito sul grafene è protetto dall'essere scomposto dagli enzimi.
(PhysOrg.com) -- Il grafene e il DNA possono combinarsi per creare un biosensore stabile e accurato, riporta uno studio pubblicato sulla rivista di nanotecnologia Small. Il minuscolo biosensore potrebbe eventualmente aiutare medici e ricercatori a comprendere e diagnosticare meglio le malattie.
Gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy e della Princeton University hanno dimostrato che il DNA a singolo filamento interagisce fortemente con il grafene, un nanomateriale fatto di fogli di atomi di carbonio dello spessore di un solo atomo. Hanno anche scoperto che il grafene protegge il DNA dall'essere scomposto da enzimi simili a quelli che si trovano nei fluidi corporei, una caratteristica che dovrebbe rendere i biosensori di grafene-DNA altamente durevoli.
"Il grafene è di grande interesse perché ha diverse caratteristiche uniche, compreso essere facile e relativamente poco costoso da realizzare, " ha detto il chimico della PNNL Yuehe Lin, l'autore corrispondente del documento. "Ma pochissimi avevano esplorato sistematicamente come il grafene interagiva con il DNA utilizzando più tecniche spettroscopiche fino a quando non abbiamo dato un'occhiata. Abbiamo scoperto che fanno la coppia giusta".
Gli scienziati hanno esplorato il potenziale della nanotecnologia - o di materiali minuscoli che misurano solo un miliardesimo di metro - per diversi decenni. Un numero crescente di scienziati si sta concentrando sul grafene perché è superconduttivo, è eccezionalmente forte e ha una grande superficie. È anche più facile da realizzare e utilizzare rispetto ad altri nanomateriali, come i nanotubi di carbonio. La nanotecnologia potrebbe aiutare a creare nuovi farmaci, consegnare medicinali e sviluppare biosensori per la rilevazione delle malattie.
Un biosensore di grafene-DNA rileverebbe le malattie pescando le molecole coinvolte nella malattia. Come infilare un verme su un gancio, gli scienziati collocherebbero il DNA di un gene noto per contribuire allo sviluppo di una malattia su un pezzo di grafene. I ricercatori immergerebbero quindi il gancio del biosensore nel sangue trattato, saliva o un altro fluido corporeo. Se il DNA del gene che causa la malattia è nel fluido e abbocca, il biosensore emette un segnale che gli scienziati possono rilevare.
La natura a doppio filamento del DNA nei nostri geni rende possibile questo schema di pesca. Il normale DNA a doppio filamento sembra una scala contorta. Ma il DNA a filamento singolo sembra un pettine:è costituito da una sequenza di lettere di DNA, o basi, che spuntano dalla spina dorsale e che cercano un'altra base con cui accoppiarsi. Quando le sequenze complementari sul DNA a singolo filamento si incontrano, le basi formano i pioli della scala ritorta.
Per progettare biosensori DNA-grafene, gli scienziati devono capire come interagiscono DNA e grafene. Lin e colleghi, tra cui l'autore principale e poi ricercatore post-dottorato del PNNL Zhiwen Tang, ha attaccato una molecola fluorescente al DNA che si illumina quando il DNA fluttua liberamente per seguire il DNA nelle provette. Prossimo, hanno mescolato il DNA incandescente e il grafene. Il DNA a singolo filamento si è oscurato quando è entrato in contatto con il grafene. Ma la luminosità del DNA a doppio filamento è diminuita solo leggermente nelle stesse condizioni. Ulteriori analisi con diversi test spettroscopici hanno mostrato che l'interazione del grafene con il DNA a singolo filamento è molto più forte rispetto al suo cugino a doppio filamento. I test hanno anche suggerito che il grafene alterasse la struttura del DNA a singolo filamento.
Per scoprire se il DNA a singolo filamento potrebbe essere rimosso dal grafene rendendolo a doppio filamento, i ricercatori hanno aggiunto chiaro, DNA a filamento singolo che aveva una sequenza complementare di basi del DNA. Il DNA originale a singolo filamento risplendeva di nuovo. Ciò indicava che il singolo filamento originale di DNA si era combinato con il filamento di DNA aggiunto e aveva formato una nuova molecola che si era staccata dalla superficie del grafene.
Gli scienziati hanno quindi testato quanto fosse esigente il DNA a filamento singolo sul grafene nei confronti dei partner. Hanno posizionato i biosensori di grafene-DNA in due diverse provette. In uno, hanno aggiunto un filamento di DNA complementare con basi che corrispondevano perfettamente al DNA già attaccato al grafene. Nell'altro, hanno posizionato un filamento di DNA complementare che aveva una base che non si accoppiava con il filamento di DNA originale sulla superficie del grafene.
Entrambi emettevano più luce dopo l'introduzione del DNA complementare. Ma la luce del tubo con i filamenti di DNA perfettamente abbinati era due volte più brillante rispetto al tubo con i filamenti di DNA leggermente discordanti. La capacità di identificare se un filamento di DNA bersaglio è stato trovato all'interno di una corrispondenza di base - chiamata alta specificità - dovrebbe rendere i biosensori grafene-DNA più accurati di altri, biosensori di DNA lineari convenzionali, hanno scritto gli scienziati.
Il grafene aiuta anche a rendere durevole il DNA, gli scienziati hanno imparato. Hanno posizionato due tipi di DNA a singolo filamento:uno attaccato al grafene, e un altro che galleggiava liberamente - in provette. Hanno aggiunto la DNAsi - un enzima che mastica il DNA - ad entrambi e hanno scoperto che i filamenti di DNA liberi erano scomposti, mentre le nanostrutture grafene-DNA sono rimaste intatte per almeno 60 minuti. Gli scienziati hanno suggerito che questa protezione potrebbe creare piattaforme DNA-grafene adatte per l'imaging e la somministrazione di geni nei pazienti.
"Il design semplice e l'incredibile durata dei biosensori di grafene-DNA rendono possibile la diagnosi di malattie potenzialmente letali, Lin ha detto. "Ora io e i miei colleghi cercheremo di vedere se la capacità del grafene di proteggere il DNA dagli enzimi potrebbe aiutare le strutture DNA-grafene a fornire farmaci alle cellule malate o addirittura aiutare nella terapia genica".
La Princeton University ha fornito il grafene e la Transformational Materials Science Initiative del PNNL ha pagato per questo studio. Alcune delle ricerche sono state condotte presso l'EMSL, il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali, una struttura scientifica nazionale per gli utenti situata al PNNL.
