DNA生物傳感器晶片實現高靈敏度實時檢測單核苷酸多態性

2020-12-19 生物谷








據麥姆斯諮詢報導，由加州大學聖地牙哥分校（University of California San Diego）領導的研究小組開發出一款晶片，能夠檢測到一種被稱為單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphism，以下簡稱SNP）的基因突變，該晶片能夠將結果實時、無線傳輸到電腦、智慧型手機或其它電子設備。晶片感測SNP的靈敏度至少是目前可用技術的1000倍。


基於石墨烯的SNP檢測晶片將信號無線傳輸到智慧型手機


《先進材料》（Advanced Materials）於7月9日報導了研究團隊的成果，此項研究為價格更低、速度更快、便攜性更強的生物傳感器實現及早檢測出如癌症等疾病

遺傳

標記鋪平了道路。


SNP被視為DNA序列中單核苷酸鹼基（A、C、G或T）的變化。這是典型的基因突變類型。大多數SNP對健康沒有明顯影響，但也有少數會增加發生病理狀況的風險，如

糖尿病

、癌症、神經退行性疾病、心臟病、

自身免疫

性疾病和炎症性疾病。


傳統的SNP檢測技術有幾大限制：它們的特異性和敏感性相對較差；它們需要使用的儀器較為笨重；它們需要擴增以獲得許多基因副本用於檢測；它們無法無線運行。


由加州大學聖地牙哥分校研究團隊領導所創建的新型DNA生物傳感器是一款比指甲蓋還小的無線晶片，能夠檢測到溶液中極微量濃度的SNP。


加州大學聖地牙哥分校雅各布工程學院（Jacobs School of Engineering）生物工程、機械工程和材料科學系的教授Ratnesh Lal表示，「基於微型晶片的DNA電子檢測裝置可以對特定DNA序列和多態性進行現場和按需檢測，以便及時

診斷

或預測即將發生的健康危機，包括基於病毒和

細菌

感染的流行病。」


晶片本質上捕獲包含特定SNP突變的DNA鏈，然後產生能夠無線傳輸到行動裝置的電信號。它包括石墨烯場效應電晶體，其特殊設計的雙鏈DNA可以附著在表面上。這段DNA在中間彎曲，其形狀像是一把鑷子。這些「DNA鑷子」一面用於特定SNP的編碼。每當具有該SNP的DNA連結近時，它與「DNA鑷子」的那一側結合，將其打開並引起電流變化，通過石墨烯場效應電晶體進行感測。


該項目由Lal主導，加州大學聖地牙哥分校醫學工程研究院、中國科學院、賓夕法尼亞大學、德國馬普生物物理化學研究所（Max Planck Institute for Biophysical Chemistry）和內蒙古農業大學都參與了這一研究。


DNA鏈置換


驅動該技術的是一種被稱為DNA鏈置換的分子過程。其中的DNA雙螺旋交換其中一條鏈用於新的互補鏈。在這種情況下，「DNA鑷子」用一條特定的SNP交換其中的一條鏈。


由於「DNA鑷子」的特殊設計而使上述描述成為可能。其中一條鏈是「正常」鏈，其與石墨烯電晶體結合併包含用於特定SNP的互補序列。另一條是「弱」鏈，其中一些核苷酸被不同的分子取代以弱化其與正常鏈的結合。包含SNP的鏈能夠更有力地附著於正常鏈並移除弱鏈，使得「DNA鑷子」具有可以被石墨烯電晶體輕鬆感測到的淨電荷。


全新改進後的SNP檢測晶片


該研究基於Lal團隊此前與加州大學聖地牙哥分校醫學工程研究院研究科學家Gennadi Glinksy，以及其它加州大學聖地牙哥分校研究人員合作開發的第一款無標記和無擴增的電子SNP檢測晶片。全新的晶片具有額外的無線功能，至少比其前身靈敏1000倍。


「DNA鑷子」的設計賦予新款晶片的高度靈敏度。當包含SNP的鏈附著時，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。DNA的淨電荷接近石墨烯表面，從而產生更大的信號。相反，嵌入先前晶片中的DNA探針具有不能接近石墨烯表面的結構，因此在結合包含SNP的鏈時產生較弱的信號。


展望未來，研究人員計劃設計能夠在單次檢測中檢測多達數十萬個SNP的陣列晶片。未來的研究還將涉及到測試從人類或動物身上採集血液和其它體液樣本的晶片。(

生物谷

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會議日程：






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    ，並實現遠程檢測；（4）基因檢測配合篩查技術和產前診斷可以減少聾病發生、避免聾兒出生。目前該技術主要用來檢測200~300bp大小的DNA片段，長的DNA片段的檢測尚未見報導。 4. 生物晶片的發展概況 生物晶片技術是生命科學研究中繼基因克隆技術及其自動測序技術、PCR技術後的又一次革命性技術突破。
  • R plus 生物~Bioconductor
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