Los biosensores basados ​​en grafeno podrían marcar el comienzo de una era de biopsia líquida, detectar marcadores de cáncer de ADN que circulan en la sangre o el suero de un paciente. Pero los diseños actuales necesitan mucho ADN. En un nuevo estudio, el grafeno arrugado lo hace más de diez mil veces más sensible al ADN al crear "puntos calientes eléctricos, "encontraron investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

El grafeno arrugado podría usarse en una amplia gama de aplicaciones de biosensores para un diagnóstico rápido, dijeron los investigadores. Publicaron sus resultados en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

"Este sensor puede detectar concentraciones ultrabajas de moléculas que son marcadores de enfermedad, que es importante para el diagnóstico precoz, "dijo el líder del estudio, Rashid Bashir, profesor de bioingeniería y decano del Grainger College of Engineering en Illinois. "Es muy sensible, es de bajo costo, es fácil de usar, y está usando el grafeno de una manera nueva ".

Si bien la idea de buscar secuencias de cáncer reveladoras en ácidos nucleicos, como el ADN o su primo ARN, no es nuevo este es el primer sensor electrónico que detecta cantidades muy pequeñas, como los que se pueden encontrar en el suero de un paciente, sin procesamiento adicional.

"Cuando tienes cáncer, ciertas secuencias están sobreexpresadas. Pero en lugar de secuenciar el ADN de alguien, lo que requiere mucho tiempo y dinero, podemos detectar aquellos segmentos específicos que son biomarcadores de cáncer en el ADN y ARN que son secretados por los tumores a la sangre, "dijo Michael Hwang, el primer autor del estudio e investigador postdoctoral en el Laboratorio de Micro y Nanotecnología de Holonyak en Illinois.

El grafeno, una hoja plana de carbono de un átomo de espesor, es un popular material económico para sensores electrónicos. Sin embargo, Los sensores de ácido nucleico desarrollados hasta ahora requieren un proceso llamado amplificación:aislar un fragmento de ADN o ARN y copiarlo muchas veces en un tubo de ensayo. Este proceso es largo y puede introducir errores. Entonces, el grupo de Bashir se propuso aumentar el poder de detección del grafeno hasta el punto de poder probar una muestra sin primero amplificar el ADN.

Muchos otros enfoques para impulsar las propiedades electrónicas del grafeno han involucrado estructuras a nanoescala cuidadosamente diseñadas. En lugar de fabricar estructuras especiales, el grupo de Illinois simplemente extendió una delgada hoja de plástico, colocó el grafeno encima de él, luego liberó la tensión en el plástico, haciendo que el grafeno se arrugue y forme una superficie arrugada.

Probaron la capacidad del grafeno arrugado para detectar ADN y un microARN relacionado con el cáncer tanto en una solución tampón como en suero humano sin diluir. y vio cómo el rendimiento mejoraba decenas de miles de veces en comparación con el grafeno plano.

"Esta es la sensibilidad más alta jamás reportada para la detección eléctrica de una biomolécula. Antes, necesitaríamos decenas de miles de moléculas en una muestra para detectarlo. Con este dispositivo, pudimos detectar una señal con solo unas pocas moléculas, ", Dijo Hwang." Esperaba ver alguna mejora en la sensibilidad, pero no así ".

Para determinar la razón de este aumento en la capacidad de detección, El profesor de ingeniería y ciencias mecánicas Narayana Aluru y su grupo de investigación utilizaron simulaciones por computadora detalladas para estudiar las propiedades eléctricas del grafeno arrugado y cómo el ADN interactuaba físicamente con la superficie del sensor.

Descubrieron que las cavidades servían como puntos de acceso eléctrico, actuando como una trampa para atraer y retener las moléculas de ADN y ARN.

"Cuando arrugas el grafeno y creas estas regiones cóncavas, la molécula de ADN encaja en las curvas y cavidades de la superficie, por lo que una mayor parte de la molécula interactúa con el grafeno y podemos detectarlo, "dijo el estudiante de posgrado Mohammad Heiranian, co-primer autor del estudio. "Pero cuando tienes una superficie plana, otros iones en la solución prefieren la superficie más que el ADN, por lo que el ADN no interactúa mucho con el grafeno y no podemos detectarlo ".

Además, arrugar el grafeno creó una tensión en el material que cambió sus propiedades eléctricas, inducir una banda prohibida (una barrera de energía que los electrones deben superar para fluir a través del material) que lo hizo más sensible a las cargas eléctricas de las moléculas de ADN y ARN.

"Este potencial de banda prohibida muestra que el grafeno arrugado también podría usarse para otras aplicaciones, como los nanocircuitos, diodos o electrónica flexible, "dijo Amir Taqieddin, estudiante de posgrado y coautor del artículo.

Aunque el ADN se utilizó en la primera demostración de la sensibilidad del grafeno arrugado a las moléculas biológicas, el nuevo sensor podría ajustarse para detectar una amplia variedad de biomarcadores objetivo. El grupo de Bashir también está probando grafeno arrugado en sensores para proteínas y moléculas pequeñas.

"Con el tiempo, el objetivo sería fabricar cartuchos para un dispositivo de mano que detectara las moléculas objetivo en unas pocas gotas de sangre, por ejemplo, en la forma en que se controla el azúcar en sangre, ", Dijo Bashir." La visión es tener mediciones rápidamente y en un formato portátil ".