I ricercatori dell'Illinois hanno scoperto che il grafene accartocciato nei sensori del DNA lo ha reso decine di migliaia di volte più sensibile, rendendolo una piattaforma fattibile per la biopsia liquida. Credito:Mohammad Heiranian
I biosensori a base di grafene potrebbero inaugurare un'era di biopsia liquida, rilevare i marcatori del cancro del DNA che circolano nel sangue o nel siero di un paziente. Ma i design attuali hanno bisogno di molto DNA. In un nuovo studio, il grafene accartocciato lo rende più di diecimila volte più sensibile al DNA creando "punti caldi" elettrici, " Hanno scoperto i ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.
Il grafene accartocciato potrebbe essere utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni di biorilevamento per diagnosi rapide, hanno detto i ricercatori. Hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .
"Questo sensore è in grado di rilevare concentrazioni bassissime di molecole che sono marcatori di malattie, che è importante per la diagnosi precoce, " ha detto il capo dello studio Rashid Bashir, professore di bioingegneria e preside del Grainger College of Engineering dell'Illinois. "È molto sensibile, è a basso costo, è facile da usare, e sta usando il grafene in un modo nuovo".
Mentre l'idea di cercare sequenze di cancro rivelatrici negli acidi nucleici, come il DNA o il suo cugino RNA, non è nuovo, questo è il primo sensore elettronico a rilevare quantità molto piccole, come si potrebbe trovare nel siero di un paziente, senza ulteriori elaborazioni.
"Quando hai il cancro, certe sequenze sono sovraespresse. Ma invece di sequenziare il DNA di qualcuno, che richiede molto tempo e denaro, possiamo rilevare quei segmenti specifici che sono biomarcatori del cancro nel DNA e nell'RNA che vengono secreti dai tumori nel sangue, " ha detto Michael Hwang, il primo autore dello studio e ricercatore post-dottorato presso l'Holonyak Micro and Nanotechnology Lab dell'Illinois.
Il grafene, un foglio piatto di carbonio dello spessore di un atomo, è un popolare, materiale a basso costo per sensori elettronici. Però, I sensori di acido nucleico sviluppati finora richiedono un processo chiamato amplificazione:isolare un frammento di DNA o RNA e copiarlo molte volte in una provetta. Questo processo è lungo e può introdurre errori. Quindi il gruppo di Bashir ha deciso di aumentare il potere di rilevamento del grafene al punto da poter testare un campione senza prima amplificare il DNA.
Molti altri approcci per potenziare le proprietà elettroniche del grafene hanno coinvolto strutture in nanoscala accuratamente realizzate. Piuttosto che fabbricare strutture speciali, il gruppo dell'Illinois ha semplicemente steso un sottile foglio di plastica, ci ho messo sopra il grafene, poi rilasciato la tensione nella plastica, facendo sì che il grafene si accartoccia e formi una superficie accartocciata.
Hanno testato la capacità del grafene accartocciato di rilevare il DNA e un microRNA correlato al cancro sia in una soluzione tampone che nel siero umano non diluito, e ho visto le prestazioni migliorare decine di migliaia di volte rispetto al grafene piatto.
"Questa è la più alta sensibilità mai riportata per il rilevamento elettrico di una biomolecola. Prima, avremmo bisogno di decine di migliaia di molecole in un campione per rilevarlo. Con questo dispositivo, potremmo rilevare un segnale con solo poche molecole, " Ha detto Hwang. "Mi aspettavo di vedere qualche miglioramento nella sensibilità, ma non così."
Per determinare il motivo di questo aumento della potenza di rilevamento, Il professore di scienze meccaniche e ingegneria Narayana Aluru e il suo gruppo di ricerca hanno utilizzato simulazioni al computer dettagliate per studiare le proprietà elettriche del grafene accartocciato e il modo in cui il DNA interagiva fisicamente con la superficie del sensore.
Hanno scoperto che le cavità fungevano da hotspot elettrici, fungendo da trappola per attrarre e trattenere le molecole di DNA e RNA.
"Quando accartocciate il grafene e create queste regioni concave, la molecola di DNA si inserisce nelle curve e nelle cavità sulla superficie, quindi più della molecola interagisce con il grafene e possiamo rilevarlo, " ha detto lo studente laureato Mohammad Heiranian, co-primo autore dello studio. "Ma quando hai una superficie piana, altri ioni nella soluzione amano la superficie più del DNA, quindi il DNA non interagisce molto con il grafene e non possiamo rilevarlo".
Inoltre, accartocciare il grafene ha creato una deformazione nel materiale che ha cambiato le sue proprietà elettriche, inducendo un bandgap, una barriera energetica che gli elettroni devono superare per fluire attraverso il materiale, che lo rendeva più sensibile alle cariche elettriche sulle molecole di DNA e RNA.
"Questo potenziale di banda proibita mostra che il grafene accartocciato potrebbe essere utilizzato anche per altre applicazioni, come i nano circuiti, diodi o elettronica flessibile, " disse Amir Taqieddin, uno studente laureato e coautore del documento.
Anche se il DNA è stato utilizzato nella prima dimostrazione della sensibilità del grafene accartocciato per le molecole biologiche, il nuovo sensore potrebbe essere sintonizzato per rilevare un'ampia varietà di biomarcatori bersaglio. Il gruppo di Bashir sta testando il grafene accartocciato nei sensori anche per proteine e piccole molecole.
"Alla fine l'obiettivo sarebbe quello di costruire cartucce per un dispositivo portatile in grado di rilevare le molecole bersaglio in poche gocce di sangue, Per esempio, nel modo in cui viene monitorato lo zucchero nel sangue, "Bashir ha detto. "La visione è di avere misurazioni rapidamente e in un formato portatile."