Биосенсор на основе графена и ДНК: высокая селективность и простота создания

Исследование, опубликованное в журнале Small, показывает, что комбинация графена и ДНК позволяет создать стабильный и точный биосенсор. Такие устройства в будущем могут помочь врачам и учёным в диагностике и изучении заболеваний.

Учёные из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США и Принстонского университета обнаружили, что одноцепочечная ДНК сильно взаимодействует с графеном — наноматериалом из одноатомного слоя атомов углерода. Также выяснилось, что графен защищает ДНК от расщепления ферментами, подобными тем, что содержатся в жидкостях организма. Это свойство должно обеспечивать высокую долговечность биосенсоров.

«Графен представляет большой интерес, потому что у него есть несколько уникальных характеристик, включая простоту и относительно низкую стоимость производства, — сказал химик PNNL Юэхэ Линь, автор-корреспондент статьи. — Но до нас мало кто систематически изучал взаимодействие графена с ДНК с помощью нескольких спектроскопических методов. Мы обнаружили, что они составляют отличную пару».

Принцип работы биосенсора

Биосенсор на основе графена и ДНК обнаруживает заболевания, «вылавливая» связанные с ними молекулы. Учёные размещают на поверхности графена одноцепочечную ДНК из гена, связанного с развитием болезни (как наживку на крючке). Затем этот «крючок» погружают в обработанную кровь, слюну или другую биологическую жидкость. Если в жидкости присутствует комплементарная целевая ДНК, она связывается с «наживкой», что вызывает детектируемый сигнал.

Ключевые результаты исследования

1. Сила взаимодействия. Используя флуоресцентную метку, исследователи показали, что одноцепочечная ДНК сильно связывается с графеном (свечение гаснет), а взаимодействие двуцепочечной ДНК с графеном значительно слабее. Спектроскопические тесты подтвердили, что графен изменяет структуру одноцепочечной ДНК.
2. Высокая специфичность. Когда к графену с закреплённой одноцепочечной ДНК добавляли комплементарную цепь, происходило образование двойной спирали и отсоединение от поверхности. Сигнал при этом восстанавливался. При этом цепь с идеально комплементарной последовательностью давала сигнал в два раза ярче, чем цепь с одним неспаренным основанием. Такая способность различать мишени с точностью до одного нуклеотида (высокая специфичность) делает графен-ДНК сенсоры более точными, чем обычные линейные ДНК-биосенсоры.
3. Защита от ферментов. В эксперименте с ферментом ДНКазой свободные одноцепочечные ДНК были быстро расщеплены, в то время как ДНК, связанная с графеном, оставалась неповреждённой в течение как минимум 60 минут. Эта защитная функция открывает перспективы использования платформ графен-ДНК для доставки генов и визуализации in vivo.

«Простая конструкция и огромная долговечность графен-ДНК биосенсоров делают возможной диагностику опасных для жизни заболеваний с их помощью, — отметил Юэхэ Линь. — Теперь мы с коллегами исследуем, может ли способность графена защищать ДНК от ферментов помочь в доставке лекарств к больным клеткам или даже в генной терапии».

Исследование финансировалось инициативой PNNL Transformational Materials Science Initiative, графен предоставил Принстонский университет. Часть работы выполнена в EMSL (Environmental Molecular Sciences Laboratory) — национальном пользовательском центре на базе PNNL.