Bioingenieros de la Universidad de California, San Diego ha desarrollado un chip de grafeno eléctrico capaz de detectar mutaciones en el ADN. Los investigadores dicen que la tecnología podría algún día usarse en varias aplicaciones médicas, como análisis de sangre para la detección temprana del cáncer, seguimiento de biomarcadores de enfermedades y detección en tiempo real de secuencias virales y microbianas. El avance se publicó el 13 de junio en la primera edición en línea de procedimientos 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 nucleótido en una secuencia de ácido nucleico, "dijo Ratnesh Lal, profesor de bioingeniería, ingeniería mecánica y ciencia de materiales en la Escuela de Ingeniería Jacobs en 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 específica del ADN, en tiempo real, y transmitir la información de forma inalámbrica a un dispositivo móvil como un teléfono inteligente o una computadora portátil.

El equipo dirigido por Lal, quien se desempeña 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 investigador en 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. Si bien la mayoría de los SNP no tienen un efecto perceptible sobre la salud, algunos están asociados con afecciones patológicas como el cáncer, diabetes, enfermedad del corazón, trastornos neurodegenerativos, enfermedades autoinmunes e inflamatorias.

Los métodos actuales de detección de SNP son relativamente lentos, costosos y requieren el uso de equipos engorrosos. "Estamos desarrollando una fácil, Una forma económica y portátil de detectar SNP utilizando un pequeño chip que puede funcionar con su teléfono celular, "dijo Preston Landon, científico investigador del grupo de investigación de Lal y coautor del artículo de PNAS.

El chip consta de una sonda de ADN incrustada en un transistor de efecto de campo de grafeno. La sonda de ADN es una pieza diseñada de ADN de doble hebra que contiene una secuencia que codifica un tipo específico de SNP. El chip está diseñado y fabricado específicamente para capturar moléculas de ADN (o ARN) con la mutación de un solo nucleótido, siempre que estas piezas de ADN (o ARN) se unan a la sonda, se produce una señal eléctrica.

El chip funciona esencialmente al realizar el desplazamiento de la cadena de ADN, el proceso en el que una doble hélice de ADN intercambia una hebra por otra hebra complementaria. La nueva hebra complementaria, que, en este caso, contiene la mutación de un solo nucleótido:se une con más fuerza a una de las hebras de la doble hélice y desplaza la otra hebra. En este estudio, la sonda de ADN es una doble hélice que contiene dos hebras de ADN complementarias que están diseñadas para unirse débilmente entre sí:una hebra "normal", que se adjunta al transistor de grafeno, y una hebra "débil", en el que cuatro de las G de la secuencia se reemplazaron con inosinas para debilitar su enlace con la hebra normal. Hebras de ADN que tienen la secuencia complementaria que coincide perfectamente con la hebra normal; en otras palabras, hebras que contienen el SNP:se unirán a la hebra normal y eliminarán la hebra débil. Los investigadores diseñaron el chip para generar una señal eléctrica cuando una hebra que contiene SNP se une a la sonda. lo que permite una detección rápida y sencilla 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 ADN en un transistor de efecto de campo de grafeno. Este es el primer ejemplo de combinación de nanotecnología dinámica de ADN con detección electrónica de alta resolución. El resultado es una tecnología que podría potencialmente ser utilizado con sus dispositivos electrónicos inalámbricos para detectar SNP, "dijo Michael Hwang, estudiante de doctorado en ciencias de los materiales en UC San Diego y coautor del estudio.

El uso de una sonda de ADN de doble hebra en la tecnología desarrollada por el equipo de Lal es otra mejora con respecto a otros métodos de detección de SNP. que normalmente utilizan sondas de ADN monocatenarias. Con una sonda de ADN de doble hebra, solo una hebra de ADN que se adapta perfectamente a la hebra normal es capaz de desplazar la hebra débil. "Una sonda de ADN de una sola hebra no proporciona esta selectividad; incluso una hebra de ADN que contenga una base de nucleótidos que no coincida puede unirse a la sonda y generar resultados falsos positivos, "Dijo Lal.

Otra ventaja de una sonda de ADN de doble hebra 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 sobre la detección exitosa de SNP con una sonda de 47 nucleótidos de longitud, la sonda de ADN más larga que se ha utilizado hasta ahora en la detección de SNP. dijeron los investigadores.

También, una sonda más larga asegura que la secuencia de ADN que se detecta sea única en el genoma. "Esperábamos que con una sonda más larga, podemos desarrollar un chip de detección de SNP específico de secuencia confiable. En efecto, hemos alcanzado un alto nivel de sensibilidad y especificidad con la tecnología que hemos desarrollado, "Dijo Lal.

Los siguientes pasos incluyen escalar la tecnología y agregar capacidad inalámbrica al chip. Más adelante en el camino los investigadores prevén probar el chip en entornos clínicos y utilizarlo para realizar biopsias líquidas. También prevén que la tecnología podría conducir a una nueva generación de métodos de diagnóstico y tratamientos personalizados en medicina.