Los bioingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un chip de grafeno eléctrico capaz de detectar mutaciones en el ADN. Los investigadores dicen que la tecnología algún día podría usarse en diversas aplicaciones médicas, como pruebas de sangre para detección temprana del cáncer, monitoreo de enfermedadesbiomarcadores y detección en tiempo real de secuencias virales y microbianas. El avance se publicó el 13 de junio en la edición temprana en línea de Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
"Estamos a la vanguardia del desarrollo de un método digital rápido y económico para detectar mutaciones genéticas en alta resolución, en la escala de un solo cambio de nucleótidos en una secuencia de ácido nucleico", dijo Ratnesh Lal, profesor de bioingeniería, ingeniería mecánicay ciencias de los materiales en la Escuela de Ingeniería Jacobs de la UC San Diego.
La tecnología, que se encuentra en una etapa de prueba de concepto, es un primer paso hacia un chip biosensor que se puede implantar en el cuerpo para detectar una mutación de ADN específica, en tiempo real, y transmitir la información de forma inalámbrica aun dispositivo móvil como un teléfono inteligente o una computadora portátil
El equipo dirigido por Lal, quien sirve como codirector del Centro de Excelencia en Nano-Medicina e Ingeniería, un subcentro del Instituto de Ingeniería en Medicina IEM en UC San Diego, y Gennadi Glinsky, un científico investigadorEn IEM, desarrolló una nueva técnica para detectar la mutación genética más común llamada polimorfismo de un solo nucleótido SNP, que es una variación de una base de un solo nucleótido A, C, G o T en la secuencia de ADN.sin efecto perceptible en la salud, algunos están asociados con afecciones patológicas como cáncer, diabetes, enfermedades cardíacas, trastornos neurodegenerativos, enfermedades autoinmunes e inflamatorias.
Los métodos actuales de detección de SNP son relativamente lentos, caros y requieren el uso de equipos engorrosos. "Estamos desarrollando una forma rápida, fácil, económica y portátil de detectar SNP utilizando un pequeño chip que puede funcionar con su teléfono celular", dijoPreston Landon, científico investigador en el grupo de investigación de Lal y coautor principal de la papel PNAS .
El chip consiste en una sonda de ADN incrustada en un transistor de efecto de campo de grafeno. La sonda de ADN es una pieza de ADN de doble cadena diseñada que contiene una secuencia que codifica un tipo específico de SNP. El chip está diseñado y fabricado específicamente para capturar ADNo ARN moléculas con la mutación de un solo nucleótido: cada vez que estos fragmentos de ADN o ARN se unen a la sonda, se produce una señal eléctrica.
El chip funciona esencialmente realizando el desplazamiento de la cadena de ADN, el proceso en el que una doble hélice de ADN intercambia una cadena por otra cadena complementaria. La nueva cadena complementaria, que, en este caso, contiene la mutación de un solo nucleótido, se une más fuertementea una de las cadenas en la doble hélice y desplaza a la otra cadena. En este estudio, la sonda de ADN es una doble hélice que contiene dos cadenas de ADN complementarias que están diseñadas para unirse débilmente entre sí: una cadena "normal", que está unidaal transistor de grafeno y una cadena "débil", en la cual cuatro G's en la secuencia fueron reemplazadas por inosinas para debilitar su enlace con la cadena normal. Las cadenas de ADN que tienen la secuencia complementaria perfectamente coincidente con la cadena normal - en otroEs decir, las cadenas que contienen el SNP se unirán a la cadena normal y eliminarán la cadena débil. Los investigadores diseñaron el chip para generar una señal eléctrica cuando una cadena que contiene SNP se une a la sonda, permitiendog para la detección rápida y fácil de SNP en una muestra de ADN.
Los investigadores señalaron que una característica novedosa de su chip es que la sonda de ADN está unida a un transistor de grafeno, lo que permite que el chip funcione electrónicamente. "Lo más destacado de este estudio es que hemos demostrado que podemos realizar el desplazamiento de la cadena de ADNen un transistor de efecto de campo de grafeno. Este es el primer ejemplo de combinación de nanotecnología de ADN dinámica con detección electrónica de alta resolución. El resultado es una tecnología que podría utilizarse con sus dispositivos electrónicos inalámbricos para detectar SNP ", dijo Michael Hwang, un experto en ciencias de los materiales.Estudiante de doctorado en UC San Diego y coautor principal del estudio.
El uso de una sonda de ADN bicatenario en la tecnología desarrollada por el equipo de Lal es otra mejora con respecto a otros métodos de detección de SNP, que generalmente usan sondas de ADN monocatenario. Con una sonda de ADN bicatenario, solo una cadena de ADN que es una combinación perfecta parala cadena normal es capaz de desplazar a la cadena débil. "Una sonda de ADN monocatenario no proporciona esta selectividad, incluso una cadena de ADN que contiene una base de nucleótidos que no coincide puede unirse a la sonda y generar resultados falsos positivos", dijo Lal.
Otra ventaja de una sonda de ADN de doble cadena es que la sonda puede ser más larga, permitiendo que el chip detecte un SNP dentro de tramos más largos de ADN. En este estudio, Lal y su equipo informaron la detección exitosa de SNP con una sonda que tenía 47 nucleótidoslargo - la sonda de ADN más larga que se ha utilizado en la detección de SNP hasta ahora, según los investigadores.
Además, una sonda más larga asegura que la secuencia de ADN que se está detectando es única en el genoma. "Esperábamos que con una sonda más larga, pudiéramos desarrollar un chip de detección SNP específico de secuencia confiable. De hecho, hemos logrado un alto nivelde sensibilidad y especificidad con la tecnología que hemos desarrollado ", dijo Lal.
Los próximos pasos incluyen ampliar la tecnología y agregar capacidad inalámbrica al chip. Más adelante, los investigadores prevén probar el chip en entornos clínicos y usarlo para realizar biopsias líquidas. También imaginan que la tecnología podría conducir a una nueva generaciónde métodos de diagnóstico y tratamientos personalizados en medicina.
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Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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