DNA生物傳感器芯片實時檢測單核苷酸多態(tài)性

據(jù)麥姆斯咨詢報道，由加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California San Diego）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)出一款芯片，能夠檢測到一種被稱為單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，以下簡稱SNP）的基因突變，該芯片能夠?qū)⒔Y(jié)果實時、無線傳輸?shù)?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/1247/" target="_blank">電腦、智能手機或其它電子設(shè)備。芯片感測SNP的靈敏度至少是目前可用技術(shù)的1000倍。

基于石墨烯的SNP檢測芯片將信號無線傳輸?shù)?a target="_blank">智能手機

《先進材料》（Advanced Materials）于7月9日報道了研究團隊的成果，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(xiàn)及早檢測出如癌癥等疾病遺傳標(biāo)記鋪平了道路。

SNP被視為DNA序列中單核苷酸堿基（A、C、G或T）的變化。這是典型的基因突變類型。大多數(shù)SNP對健康沒有明顯影響，但也有少數(shù)會增加發(fā)生病理狀況的風(fēng)險，如糖尿病、癌癥、神經(jīng)退行性疾病、心臟病、自身免疫性疾病和炎癥性疾病。

傳統(tǒng)的SNP檢測技術(shù)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于檢測；它們無法無線運行。

由加州大學(xué)圣地亞哥分校研究團隊領(lǐng)導(dǎo)所創(chuàng)建的新型DNA生物傳感器是一款比指甲蓋還小的無線芯片，能夠檢測到溶液中極微量濃度的SNP。

加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布工程學(xué)院（Jacobs School of Engineering）生物工程、機械工程和材料科學(xué)系的教授Ratnesh Lal表示，“基于微型芯片的DNA電子檢測裝置可以對特定DNA序列和多態(tài)性進行現(xiàn)場和按需檢測，以便及時診斷或預(yù)測即將發(fā)生的健康危機，包括基于病毒和細菌感染的流行病?！?/p>

芯片本質(zhì)上捕獲包含特定SNP突變的DNA鏈，然后產(chǎn)生能夠無線傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備的電信號。它包括石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特殊設(shè)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”一面用于特定SNP的編碼。每當(dāng)具有該SNP的DNA鏈接近時，它與“DNA鑷子”的那一側(cè)結(jié)合，將其打開并引起電流變化，通過石墨烯場效應(yīng)晶體管進行感測。

該項目由Lal主導(dǎo)，加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)工程研究院、中國科學(xué)院、賓夕法尼亞大學(xué)、德國馬普生物物理化學(xué)研究所（Max Planck Institute for Biophysical Chemistry）和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)都參與了這一研究。

DNA鏈置換

驅(qū)動該技術(shù)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于新的互補鏈。在這種情況下，“DNA鑷子”用一條特定的SNP交換其中的一條鏈。

由于“DNA鑷子”的特殊設(shè)計而使上述描述成為可能。其中一條鏈?zhǔn)恰罢！辨?，其與石墨烯晶體管結(jié)合并包含用于特定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(jié)合。包含SNP的鏈能夠更有力地附著于正常鏈并移除弱鏈，使得“DNA鑷子”具有可以被石墨烯晶體管輕松感測到的凈電荷。

全新改進后的SNP檢測芯片

該研究基于Lal團隊此前與加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)工程研究院研究科學(xué)家Gennadi Glinksy，以及其它加州大學(xué)圣地亞哥分校研究人員合作開發(fā)的第一款無標(biāo)記和無擴增的電子SNP檢測芯片。全新的芯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(shè)計賦予新款芯片的高度靈敏度。當(dāng)包含SNP的鏈附著時，它打開“DNA鑷子”，改變它們的幾何形狀，使它們幾乎平行于石墨烯表面。DNA的凈電荷接近石墨烯表面，從而產(chǎn)生更大的信號。相反，嵌入先前芯片中的DNA探針具有不能接近石墨烯表面的結(jié)構(gòu)，因此在結(jié)合包含SNP的鏈時產(chǎn)生較弱的信號。

展望未來，研究人員計劃設(shè)計能夠在單次檢測中檢測多達數(shù)十萬個SNP的陣列芯片。未來的研究還將涉及到測試從人類或動物身上采集血液和其它體液樣本的芯片。