Новый ДНК-биосенсор может открыть путь к мощной и недорогой клинической диагностике

ДНК может сигнализировать о наличии или предрасположенности к множеству заболеваний, включая рак. Возможность обнаруживать эти ключевые молекулы, известные как биомаркеры, позволяет медикам ставить критически важные ранние диагнозы и назначать персонализированное лечение. Типичные методы скрининга могут быть трудоемкими, дорогими или ограниченными в своих возможностях. Новый чип-биосенсор с точной и недорогой конструкцией может повысить доступность высококачественной диагностики.

Биосенсор, разработанный исследователями из Национального института стандартов и технологий (NIST), Университета Брауна и французского исследовательского института CEA-Leti, идентифицирует биомаркеры, измеряя процесс связывания цепей ДНК с устройством. Его отличает модульная конструкция, которая снижает стоимость за счет упрощения массового производства и позволяет повторно использовать самые дорогие компоненты.

В статье, представленной на последней встрече IEEE International Electron Devices Meeting, исследователи показали, что устройство сохраняет высокую чувствительность и точность, несмотря на модульность, которая обычно ассоциируется со снижением производительности.

Как и другие ДНК-биосенсоры, устройство использует свойство одноцепочечной ДНК, не спаренной в двойную спираль, вступать в химическую связь. Часть устройства покрыта одноцепочечными ДНК-«зондами». Когда эти зонды встречают ДНК-биомаркеры с комплементарной генетической последовательностью, две цепи связываются, что генерирует сигнал, регистрируемый устройством.

«Для измерения нам нужны две молекулы ДНК. Мы помещаем одну цепь на наш сенсор — она комплементарна целевой ДНК, той самой “иголке в стоге сена”», — пояснил исследователь NIST Арвинд Балиджапалли, соавтор работы.

Когда цепь-мишень связывается с зондом, это вызывает сдвиг напряжения, который может измерить полупроводниковое устройство — полевой транзистор (FET). Такие сдвиги напряжения могут происходить сотни раз в секунду по мере присоединения и отсоединения молекул.

Благодаря высокому временному разрешению этот метод позволяет определить не только факт связывания ДНК с зондом, но и время соединения и разъединения — параметр, известный как кинетика связывания. Он ключевой для различения разных маркеров, которые могут связываться с одним и тем же зондом с разной силой.

«Это высокомасштабируемая методика. В принципе, мы можем разместить сотни, если не тысячи сенсоров на площади в один квадратный миллиметр, интегрированных в устройство размером со смартфон. Это гораздо менее громоздко, чем некоторые технологии, используемые сейчас в клиниках», — отметил Балиджапалли.

Однако методы на основе FET пока не стали мейнстримом. Существенным препятствием была их одноразовость, которая до сих пор казалась необходимостью, но увеличивала стоимость.

В обычных FET-сенсорах ДНК-зонды крепятся непосредственно к транзистору, чтобы минимизировать электрические шумы. Недостаток в том, что после контакта с образцом зонды расходуются, и вместе с ними — всё устройство.

В новом исследовании ученые увеличили расстояние между зондами и транзистором, что позволило повторно использовать более дорогие элементы схемы. Потенциальным минусом было возможное увеличение уровня шума. Однако выгода от такого дизайна оказалась существенной, даже за пределами экономии.

«Если считывающее устройство многоразовое, мы можем встроить в него более сложные технологии, получить более высокую точность измерений, и оно сможет взаимодействовать с недорогим одноразовым сенсорным элементом», — сказал Балиджапалли.

Предвидя, что модульный дизайн может снизить чувствительность биосенсора, исследователи использовали подход из области Интернета вещей (IoT), компенсирующий потери в беспроводных устройствах. Они соединили свою схему с особым типом крайне малоэнергоемкого FET, разработанного в CEA-LETI (используется в умных часах, персональных ассистентах), чтобы усилить сигналы и скомпенсировать потерю чувствительности.

Для проверки производительности устройство поместили в жидкие образцы, содержащие цепи ДНК, ассоциированные с воздействием вредного ионизирующего излучения. Комплементарные ДНК-зонды разместили на электродах, соединенных с FET. В разных образцах варьировали количество целевой ДНК.

Исследователи обнаружили, что кинетика связывания была достаточно чувствительной для точных измерений даже при низких концентрациях. В целом, производительность модульной конструкции соответствовала показателям интегрированных, немодульных FET-биосенсоров.

Следующий шаг — выяснить, может ли сенсор аналогично работать с разными последовательностями ДНК, вызванными мутациями. Поскольку многие заболевания связаны с мутировавшей ДНК, эта способность важна для клинической диагностики.

Другие исследования могут оценить способность сенсора обнаруживать генетический материал вирусов, например, COVID-19, что может указывать на инфекцию.

Новая технология может стать жизнеспособной основой для развития.

«Есть возможность разработать более сложные модульные сенсоры, которые будут гораздо доступнее, без ущерба для высокого качества измерений», — заключил Балиджапалли.

Исследование опубликовано в 2022 International Electron Devices Meeting (IEDM).