Dikembangkan, "Chip" Biosensor Pendeteksi Mutasi Genetika

Sebuah tim penelitian yang dipimpin oleh ilmuan University of California San Diego mengembangkan sebuah chip yang dapat mendeteksi jenis mutasi genetik yang dikenal sebagai single nucleotide polymorphism (SNP) atau polimorfisme nukleotida tunggal. Chip ini dapat mengirim hasil deteksi secara real time ke smartphone, komputer, atau perangkat elektronik lainnya. Chip ini setidaknya 1.000 kali lebih sensitif dalam mendeteksi SNP daripada teknologi yang ada saat ini.

Sebuah kemajuan baru yang dikembangkan oleh para ilmuan ini diterbitkan 9 Juli di Advanced Materials. Teknologi ini memungkinkan pembuatan biosensor yang lebih murah, lebih cepat dan portabel untuk deteksi dini penanda genetik pada beberapa penyakit, seperti kanker.

SNP adalah perubahan dalam basis nukleotida tunggal (A, C, G atau T) dalam urutan DNA. Ini adalah jenis mutasi genetik yang paling umum. Sementara kebanyakan SNP tidak memiliki efek yang dapat dilihat pada kesehatan, beberapa terkait dengan peningkatan risiko mengembangkan kondisi patologis seperti kanker, diabetes, penyakit jantung, gangguan neurodegeneratif, penyakit autoimun dan inflamasi.

Metode deteksi SNP tradisional memiliki beberapa keterbatasan dimana umumnya memiliki sensitivitas dan spesifisitas yang relatif rendah, membutuhkan amplifikasi untuk mendapatkan banyak salinan untuk deteksi serta membutuhkan penggunaan instrumen besar; dan tidak dapat bekerja tanpa kabel.

Biosensor DNA baru yang dikembangkan oleh tim yang dipimpin UC San Diego ini adalah sebuah chip nirkabel yang lebih kecil ukuranya dari kuku dan dapat mendeteksi SNP yang ada dalam konsentrasi picomolar dalam larutan.

"Miniaturisasi deteksi listrik berbasis chip DNA dapat memungkinkan deteksi di lapangan dan sesuai permintaan dari urutan DNA spesifik dan polimorfisme untuk diagnosis tepat waktu atau prognosis krisis kesehatan yang tertunda, termasuk epidemi berbasis virus dan bakteri," kata Ratnesh Lal, profesor rekayasa bioteknologi, teknik mesin dan ilmu material di UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Chip pada dasarnya menangkap strand DNA yang mengandung mutasi SNP tertentu dan kemudian menghasilkan sinyal listrik yang dikirim secara nirkabel ke perangkat seluler. Ini terdiri dari transistor efek medan graphene dengan sepotong DNA rantai ganda yang direkayasa khusus yang melekat pada permukaan.

Potongan DNA ini cenderung di dekat bagian tengah dan berbentuk seperti pinset. Satu sisi dari kode "DNA-pinset" ini untuk SNP tertentu. Setiap kali strand DNA mencoba saling mendekat pada SNP, ia mengikat ke sisi DNA-pinset, membukanya dan menciptakan perubahan dalam arus listrik yang dideteksi oleh transistor efek medan graphene.

Proyek ini dipimpin oleh Lal dan melibatkan tim di Institute of Engineering in Medicine di UC San Diego, Chinese Academy of Sciences in China, University of Pennsylvania, Max Planck Institute For Biophysical Chemistry in Germany, and Inner Mongolia Agricultural University di China.

Apa yang mendorong teknologi ini adalah proses molekuler yang disebut perpindahan Strand DNA - ketika sebuah heliks ganda DNA menukar salah satu untainya untuk untaian komplementer baru. Dalam hal ini, DNA-pinset menukar satu untaian mereka dengan SNP tertentu.

Ini mungkin karena cara tertentu pinset DNA direkayasa. Salah satu untai adalah untai "normal" yang melekat pada transistor graphene dan berisi urutan komplementer untuk SNP tertentu. Yang lainnya adalah untaian "lemah" di mana beberapa nukleotida diganti dengan molekul yang berbeda untuk melemahkan ikatannya ke strand normal.

Sebuah untai yang mengandung SNP mampu mengikat lebih kuat ke untai normal dan memindahkan untai yang lemah. Ini meninggalkan DNA-pinset dengan muatan listrik bersih yang dapat dengan mudah dideteksi oleh transistor graphene.

Pekerjaan ini dibangun di atas chip pendeteksi SNP elektronik label-dan amplifikasi-bebas pertama yang tim Lal sebelumnya dikembangkan bekerja sama dengan Gennadi Glinksy, ilmuwan penelitian di teknik kedokteran di UC San Diego Kedokteran, dan peneliti UC San Diego lainnya. Chip baru ini telah menambahkan kemampuan nirkabel dan setidaknya 1.000 kali lebih sensitif dari pendahulunya.

Apa yang membuat chip baru sangat sensitif adalah desain dari pinset DNA. Ketika mengikat untai yang mengandung SNP, ia membuka DNA-pinset, mengubah geometri mereka sehingga mereka menjadi hampir sejajar dengan permukaan graphene. Ini membawa muatan listrik bersih dari DNA dekat dengan graphene. nik/berbagai sumber/E-6