生物传感器芯片无线检测单核苷酸多态性 灵敏度更高

由加利福尼亚大学圣地亚哥分校领导的团队开发了一种芯片，可以检测一种称为单核苷酸多态性(SNP)的基因突变，并将结果实时发送到智能手机，计算机或其他电子设备。该芯片在检测SNP时比现有技术灵敏度至少高1000倍。

SNP是DNA序列中单核苷酸碱基(A，C，G或T)的变化。它是最常见的基因突变类型。虽然大多数SNP对健康没有明显的影响，但有些与发展为癌症，糖尿病，心脏病，神经退行性疾病，自身免疫性疾病和炎症性疾病等病理状况的风险增加有关。

传统的SNP检测方法有一些局限性：它们的灵敏度和特异性相对较差; 他们需要放大才能获得多份拷贝进行检测; 他们需要使用笨重的工具; 他们无法无线工作。

由加州大学圣地亚哥分校领导的团队开发的新型DNA生物传感器是一种比指甲小的无线芯片，可以检测出溶液中以皮摩尔浓度存在的SNP。

“DNA的小型化芯片电检测可以对特定DNA序列和多态性进行现场和按需检测，以便及时诊断或预测未决的健康危机，包括基于病毒和细菌感染的流行病，”教授Ratnesh Lal说。加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院的生物工程，机械工程和材料科学专业。

芯片基本上捕获含有特定SNP突变的DNA链，然后产生无线发送到移动设备的电信号。它由一个石墨烯场效应晶体管和一个特殊设计的双链DNA附着在表面上组成。这片DNA在中间弯曲，形状像一把镊子。这些所谓的“DNA镊子”的一侧代码用于特定的SNP。每当具有该SNP的DNA链接近时，它与DNA镊子的那一侧结合，打开它们并产生由石墨烯场效应晶体管检测到的电流变化。

该项目由Lal领导，涉及加州大学圣地亚哥分校，中国中国科学院，宾夕法尼亚大学，德国马克斯普朗克生物物理化学研究所和中国内蒙古农业大学医学工程研究所的团队。

DNA链置换

驱动这项技术的是一种称为DNA链置换的分子过程 - 当DNA双螺旋交换其中一条链用于新的互补链时。在这种情况下，DNA镊子用一个特定的SNP将它们的一个交换为一个。

由于DNA镊子的特殊设计方式，这是可能的。其中一条链是“正常”链，其连接到石墨烯晶体管并包含特定SNP的互补序列。另一种是“弱”链，其中一些核苷酸被不同的分子取代以削弱其与正链的键。含有SNP的链能够更强地与正常链结合并置换弱链。这使得DNA镊子具有可以由石墨烯晶体管容易地检测到的净电荷。

新的和改进的SNP检测芯片

这项工作建立在Lal团队之前与UC San Diego医学工程研究所的研究科学家Gennadi Glinksy和其他加州大学圣地亚哥分校研究人员合作开发的第一个无标记和无扩增电子SNP检测芯片的基础上。新芯片增加了无线功能，其灵敏度至少比其前代产品高1000倍。

新芯片如此敏感的原因是DNA镊子的设计。当含有SNP的链结合时，它打开DNA镊子，改变它们的几何形状，使它们几乎平行于石墨烯表面。这使得DNA的净电荷接近石墨烯表面，从而产生更大的信号。相比之下，内置于先前芯片中的DNA探针具有不能更接近石墨烯表面的结构，因此在结合含SNP的链时它产生较弱的信号。

接下来的步骤包括设计阵列芯片以在单次测试中检测多达数十万个SNP。未来的研究将涉及测试从动物或人类采集的血液和其他体液样本的芯片。