Uma equipe liderada pela Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveu um chip que pode detectar um tipo de mutação genética conhecida como polimorfismo de nucleotídeo único (SNP) e enviar os resultados em tempo real para um smartphone, computador, ou outro dispositivo eletrônico. O chip é pelo menos 1, 000 vezes mais sensível na detecção de um SNP do que a tecnologia atual.

O avanço, publicado em 9 de julho em Materiais avançados , poderia levar a mais barato, biossensores mais rápidos e portáteis para detecção precoce de marcadores genéticos para doenças como o câncer.

Um SNP é a mudança em uma única base de nucleotídeo (A, C, G ou T) na sequência de DNA. É o tipo mais comum de mutação genética. Embora a maioria dos SNPs não tenham efeito perceptível na saúde, alguns estão associados ao aumento do risco de desenvolver condições patológicas, como câncer, diabetes, doença cardíaca, doenças neurodegenerativas, doenças autoimunes e inflamatórias.

Os métodos tradicionais de detecção de SNP têm várias limitações:eles têm sensibilidade e especificidade relativamente baixas; eles requerem amplificação para obter várias cópias para detecção; eles exigem o uso de instrumentos volumosos; e eles não podem funcionar sem fio.

O novo biossensor de DNA desenvolvido pela equipe da UC San Diego é um chip sem fio menor do que uma unha e pode detectar um SNP presente em concentrações picomolares em solução.

"A detecção elétrica de DNA baseada em chip miniaturizado pode permitir a detecção em campo e sob demanda de sequências de DNA específicas e polimorfismos para diagnóstico ou prognóstico oportuno de crises de saúde pendentes, incluindo epidemias baseadas em infecções virais e bacterianas, "disse Ratnesh Lal, professor de bioengenharia, Engenharia Mecânica e Ciência dos Materiais na Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs.

O chip captura essencialmente uma fita de DNA contendo uma mutação SNP específica e, em seguida, produz um sinal elétrico que é enviado sem fio para um dispositivo móvel. Ele consiste em um transistor de efeito de campo de grafeno com uma peça especialmente projetada de DNA de fita dupla anexada à superfície. Este pedaço de DNA é dobrado próximo ao meio e tem o formato de uma pinça. Um lado dessas chamadas "pinças de DNA" codifica um SNP específico. Sempre que uma fita de DNA com esse SNP se aproxima, ele se liga a esse lado da pinça de DNA, abrindo-os e criando uma mudança na corrente elétrica que é detectada pelo transistor de efeito de campo de grafeno.

O projeto é liderado por Lal e envolve equipes do Instituto de Engenharia em Medicina da UC San Diego, Academia Chinesa de Ciências na China, Universidade da Pensilvânia, Instituto Max Planck de Química Biofísica na Alemanha, e a Universidade Agrícola da Mongólia Interior na China.

Deslocamento da fita de DNA

O que impulsiona essa tecnologia é um processo molecular denominado deslocamento da fita de DNA - quando uma dupla hélice de DNA troca uma de suas fitas por uma nova fita complementar. Nesse caso, as pinças de DNA trocam um de seus fios por outro com um SNP específico.

Isso é possível devido à maneira particular como as pinças de DNA são projetadas. Uma das fitas é uma fita "normal" que é anexada ao transistor de grafeno e contém a sequência complementar para um SNP específico. A outra é uma fita "fraca" na qual alguns dos nucleotídeos são substituídos por uma molécula diferente para enfraquecer suas ligações com a fita normal. Uma fita contendo o SNP é capaz de se ligar mais fortemente à fita normal e deslocar a fita fraca. Isso deixa as pinças de DNA com uma carga elétrica líquida que pode ser facilmente detectada pelo transistor de grafeno.

Novo e aprimorado chip de detecção de SNP

Este trabalho se baseia no primeiro chip de detecção de SNP eletrônico livre de rótulo e amplificação que a equipe de Lal desenvolveu anteriormente em colaboração com Gennadi Glinksy, um cientista pesquisador do Instituto de Engenharia em Medicina da UC San Diego, e outros pesquisadores da UC San Diego. O novo chip adicionou capacidade sem fio e é pelo menos 1, 000 vezes mais sensível que seu antecessor.

O que torna o novo chip tão sensível é o design das pinças de DNA. Quando a fita contendo SNP se liga, abre as pinças de DNA, mudando sua geometria para que eles se tornem quase paralelos à superfície de grafeno. Isso traz a carga elétrica líquida do DNA para perto da superfície do grafeno, dando um sinal maior. Em contraste, a sonda de DNA embutida no chip anterior tem uma estrutura que não pode ser aproximada da superfície de grafeno, portanto, ele gera um sinal mais fraco ao se ligar a uma fita contendo SNP.

As próximas etapas incluem o projeto de chips de matriz para detectar até centenas de milhares de SNPs em um único teste. Estudos futuros envolverão testar o chip em amostras de sangue e outros fluidos corporais retirados de animais ou humanos.