Il chip del biosensore, costituito da una sonda di DNA a doppio filamento incorporata in un transistor al grafene, rileva elettronicamente gli SNP del DNA. Credito:Università della California - San Diego
Bioingegneri dell'Università della California, San Diego ha sviluppato un chip elettrico al grafene in grado di rilevare le mutazioni nel DNA. I ricercatori affermano che la tecnologia potrebbe un giorno essere utilizzata in varie applicazioni mediche come gli esami del sangue per lo screening precoce del cancro, monitoraggio di biomarcatori di malattie e rilevamento in tempo reale di sequenze virali e microbiche. L'anticipo è stato pubblicato il 13 giugno nella prima edizione online di Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
"Siamo in prima linea nello sviluppo di un metodo digitale veloce ed economico per rilevare le mutazioni genetiche ad alta risoluzione, sulla scala di un cambiamento di un singolo nucleotide in una sequenza di acido nucleico, " disse Ratnesh Lal, professore di bioingegneria, ingegneria meccanica e scienza dei materiali presso la Jacobs School of Engineering dell'UC San Diego.
La tecnologia, che è in una fase di proof-of-concept, è un primo passo verso un chip biosensore che può essere impiantato nel corpo per rilevare una specifica mutazione del DNA, in tempo reale, e trasmettere le informazioni in modalità wireless a un dispositivo mobile come uno smartphone o un laptop.
Il team guidato da Lal, che funge da condirettore per il Centro di eccellenza per la nanomedicina e l'ingegneria, un sottocentro dell'Institute of Engineering in Medicine (IEM) presso l'UC San Diego, e Gennadi Glinsky, un ricercatore presso IEM, ha sviluppato una nuova tecnica per rilevare la mutazione genetica più comune chiamata polimorfismo a singolo nucleotide (SNP), che è una variazione di una singola base nucleotidica (A, C, G o T) nella sequenza del DNA. Sebbene la maggior parte degli SNP non abbia effetti apprezzabili sulla salute, alcuni sono associati a condizioni patologiche come il cancro, diabete, cardiopatia, disturbi neurodegenerativi, malattie autoimmuni e infiammatorie.
Biosensore di mutazione di un singolo gene. Credito:Università della California - San Diego
Gli attuali metodi di rilevamento SNP sono relativamente lenti, costose e richiedono l'uso di attrezzature ingombranti. "Stiamo sviluppando un veloce, facile, modo economico e portatile per rilevare SNP utilizzando un piccolo chip che può funzionare con il tuo telefono cellulare, " ha detto Preston Landon, un ricercatore nel gruppo di ricerca di Lal e co-primo autore del documento PNAS.
Il chip è costituito da una sonda di DNA incorporata su un transistor ad effetto di campo al grafene. La sonda del DNA è un pezzo ingegnerizzato di DNA a doppio filamento che contiene una sequenza che codifica per un tipo specifico di SNP. Il chip è specificamente progettato e fabbricato per catturare molecole di DNA (o RNA) con la mutazione a singolo nucleotide, ogni volta che questi pezzi di DNA (o RNA) si legano alla sonda, viene prodotto un segnale elettrico.
Il chip funziona essenzialmente eseguendo lo spostamento del filamento di DNA, il processo in cui una doppia elica del DNA scambia un filamento con un altro filamento complementare. Il nuovo filone complementare, che, in questo caso, contiene la mutazione a singolo nucleotide:si lega più fortemente a uno dei filamenti della doppia elica e sposta l'altro filamento. In questo studio, la sonda del DNA è una doppia elica contenente due filamenti di DNA complementari che sono progettati per legarsi debolmente l'uno all'altro:un filamento "normale", che è attaccato al transistor al grafene, e un filo "debole", in cui quattro G nella sequenza sono stati sostituiti con inosine per indebolire il suo legame al filamento normale. Filamenti di DNA che hanno la sequenza complementare perfettamente corrispondente al filamento normale, in altre parole, i filamenti che contengono l'SNP si legheranno al filamento normale e staccheranno il filamento debole. I ricercatori hanno progettato il chip per generare un segnale elettrico quando un filamento contenente SNP si lega alla sonda, consentendo un rilevamento SNP rapido e semplice in un campione di DNA.
I ricercatori hanno sottolineato che una nuova caratteristica del loro chip è che la sonda del DNA è collegata a un transistor al grafene, che consente al chip di funzionare elettronicamente. "Un punto culminante di questo studio è che abbiamo dimostrato che possiamo eseguire lo spostamento del filamento di DNA su un transistor ad effetto di campo di grafene. Questo è il primo esempio di combinazione della nanotecnologia dinamica del DNA con il rilevamento elettronico ad alta risoluzione. Il risultato è una tecnologia che potrebbe essere potenzialmente utilizzato con i dispositivi elettronici wireless per rilevare SNP, " ha detto Michael Hwang, uno studente di dottorato in scienze dei materiali presso la UC San Diego e co-primo autore dello studio.
Schema dello spostamento del filamento di DNA sul chip del biosensore. Un filamento di DNA perfettamente corrispondente (verde) si lega al filamento normale (rosso) della sonda di DNA e sposta il filamento debole (nero). Credito:Lal Research Group presso l'UC San Diego
L'uso di una sonda di DNA a doppio filamento nella tecnologia sviluppata dal team di Lal è un altro miglioramento rispetto ad altri metodi di rilevamento SNP, che tipicamente utilizzano sonde di DNA a singolo filamento. Con una sonda di DNA a doppio filamento, solo un filamento di DNA che corrisponde perfettamente al filamento normale è in grado di spostare il filamento debole. "Una sonda di DNA a singolo filamento non fornisce questa selettività, anche un filamento di DNA contenente una base nucleotidica non corrispondente può legarsi alla sonda e generare risultati falsi positivi, "ha detto Lal.
Un altro vantaggio di una sonda di DNA a doppio filamento è che la sonda può essere più lunga, consentendo al chip di rilevare un SNP all'interno di tratti più lunghi di DNA. In questo studio, Lal e il suo team hanno riferito di aver rilevato con successo SNP con una sonda lunga 47 nucleotidi, la sonda di DNA più lunga che è stata utilizzata finora nel rilevamento di SNP, ricercatori hanno detto.
Anche, una sonda più lunga assicura che la sequenza di DNA rilevata sia unica nel genoma. "Ci aspettavamo che con una sonda più lunga, possiamo sviluppare un chip di rilevamento SNP specifico per sequenza affidabile. Infatti, abbiamo raggiunto un alto livello di sensibilità e specificità con la tecnologia che abbiamo sviluppato, "ha detto Lal.
I passaggi successivi includono il potenziamento della tecnologia e l'aggiunta di funzionalità wireless al chip. Più avanti lungo la strada, i ricercatori prevedono di testare il chip in ambienti clinici e di usarlo per condurre biopsie liquide. Prevedono inoltre che la tecnologia potrebbe portare a una nuova generazione di metodi diagnostici e trattamenti personalizzati in medicina.
