由加利福尼亞大學圣地亞哥分校領導的團隊開發(fā)了一種芯片，可以檢測一種稱為單核苷酸多態(tài)性(SNP)的基因突變，并將結果實時發(fā)送到智能手機，計算機或其他電子設備。該芯片在檢測SNP時比現有技術靈敏度至少高1000倍。

SNP是DNA序列中單核苷酸堿基(A，C，G或T)的變化。它是最常見的基因突變類型。雖然大多數SNP對健康沒有明顯的影響，但有些與發(fā)展為癌癥，糖尿病，心臟病，神經退行性疾病，自身免疫性疾病和炎癥性疾病等病理狀況的風險增加有關。

傳統(tǒng)的SNP檢測方法有一些局限性：它們的靈敏度和特異性相對較差; 他們需要放大才能獲得多份拷貝進行檢測; 他們需要使用笨重的工具; 他們無法無線工作。

由加州大學圣地亞哥分校領導的團隊開發(fā)的新型DNA生物傳感器是一種比指甲小的無線芯片，可以檢測出溶液中以皮摩爾濃度存在的SNP。

“DNA的小型化芯片電檢測可以對特定DNA序列和多態(tài)性進行現場和按需檢測，以便及時診斷或預測未決的健康危機，包括基于病毒和細菌感染的流行病，”教授Ratnesh Lal說。加州大學圣地亞哥分校雅各布工程學院的生物工程，機械工程和材料科學專業(yè)。

芯片基本上捕獲含有特定SNP突變的DNA鏈，然后產生無線發(fā)送到移動設備的電信號。它由一個石墨烯場效應晶體管和一個特殊設計的雙鏈DNA附著在表面上組成。這片DNA在中間彎曲，形狀像一把鑷子。這些所謂的“DNA鑷子”的一側代碼用于特定的SNP。每當具有該SNP的DNA鏈接近時，它與DNA鑷子的那一側結合，打開它們并產生由石墨烯場效應晶體管檢測到的電流變化。

該項目由Lal領導，涉及加州大學圣地亞哥分校，中國中國科學院，賓夕法尼亞大學，德國馬克斯普朗克生物物理化學研究所和中國內蒙古農業(yè)大學醫(yī)學工程研究所的團隊。

DNA鏈置換

驅動這項技術的是一種稱為DNA鏈置換的分子過程 - 當DNA雙螺旋交換其中一條鏈用于新的互補鏈時。在這種情況下，DNA鑷子用一個特定的SNP將它們的一個交換為一個。

由于DNA鑷子的特殊設計方式，這是可能的。其中一條鏈是“正常”鏈，其連接到石墨烯晶體管并包含特定SNP的互補序列。另一種是“弱”鏈，其中一些核苷酸被不同的分子取代以削弱其與正鏈的鍵。含有SNP的鏈能夠更強地與正常鏈結合并置換弱鏈。這使得DNA鑷子具有可以由石墨烯晶體管容易地檢測到的凈電荷。

新的和改進的SNP檢測芯片

這項工作建立在Lal團隊之前與UC San Diego醫(yī)學工程研究所的研究科學家Gennadi Glinksy和其他加州大學圣地亞哥分校研究人員合作開發(fā)的第一個無標記和無擴增電子SNP檢測芯片的基礎上。新芯片增加了無線功能，其靈敏度至少比其前代產品高1000倍。

新芯片如此敏感的原因是DNA鑷子的設計。當含有SNP的鏈結合時，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。這使得DNA的凈電荷接近石墨烯表面，從而產生更大的信號。相比之下，內置于先前芯片中的DNA探針具有不能更接近石墨烯表面的結構，因此在結合含SNP的鏈時它產生較弱的信號。

接下來的步驟包括設計陣列芯片以在單次測試中檢測多達數十萬個SNP。未來的研究將涉及測試從動物或人類采集的血液和其他體液樣本的芯片。