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基因編輯結合石墨烯晶體管,可在幾分鐘內檢測基因突變

MEMS ? 來源:YXQ ? 2019-04-02 08:58 ? 次閱讀
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據報道,加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley)和克萊蒙特學院聯盟(The Claremont Colleges)凱特應用生命科學研究生院(Keck Graduate Institue,簡稱KGI)的工程師團隊將CRISPR(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats,基因編輯技術)與石墨烯制成的電子晶體管結合,研發(fā)出一種可在幾分鐘內檢測特定基因突變的新型手持設備。

這款設備被稱為CRISPR-Chip,可用于快速診斷遺傳疾病或評估基因編輯技術的準確性。該團隊使用此設備檢測來自杜氏肌營養(yǎng)不良癥(Duchenne Muscular Dystrophy,簡稱DMD)患者DNA(脫氧核糖核酸)樣本中的基因突變。

“我們開發(fā)了第一個利用CRISPR搜索基因組潛在突變的晶體管,”KGI的助理教授Kiana Aran說道,她是加州大學伯克利分校生物工程學教授Irina Conboy實驗室的博士后學者,“你只需將純化的DNA樣品放在芯片上,讓CRISPR進行‘搜索’,石墨烯晶體管可以在幾分鐘內報告搜索結果?!?/p>

Nature Biomedical Engineering雜志3月25日在線上發(fā)表了一篇論述該設備的論文,Aran是該篇論文的主要作者。

醫(yī)生和遺傳學家現在可以對DNA進行測序,以確定在潛在特征和條件下的基因突變。甚至像23andMe和AncestryDNA這類的公司都可以向好奇的消費者提供這類檢測。

但與大多數形式的基因檢測不同,包括最近開發(fā)的基于CRISPR的診斷技術,CRISPR-Chip使用納米電子技術來檢測DNA樣本中的基因突變,無需通過被稱作聚合酶鏈反應(Polymerase Chain Reaction,簡稱PCR)的設備密集型耗時過程, 首次“擴增”或數百萬次地復制目標DNA片段。這意味著該設備可直接在醫(yī)生辦公室或其他工作現場進行基因檢測,而無需將樣品送到實驗室。

加州大學伯克利分校生物工程學教授、論文合著者Niren Murthy表示:“CRISPR-Chip確實值得關注,如果獲取了好的DNA樣本,通過這項技術可直接進行DNA的臨床檢測。最終,只需獲取一個人的細胞,提取DNA樣本并將其與CRISPR-Chip結合,就可以知道某個DNA序列是否存在。這可能會實現真正的即時DNA檢測?!?/p>

繞過瓶頸

CRISPR-Cas9系統(tǒng)以其能夠像鋒利的剪刀般,在精準的位置剪切DNA片段而聞名,為研究人員提供了前所未有的基因編輯技術。 但對于Cas9蛋白,為了準確地切割和粘貼基因,它首先必須找到DNA中的精確切點。

為了讓Cas9找到基因組上的特定位置,科學家必須首先為它配備一段“指導RNA(核糖核酸)”,這一小段RNA,其堿基與目標DNA序列互補。龐大的蛋白質首先解開雙鏈DNA并掃描直至找到與指導RNA相匹配的序列,隨后將其鎖定。

為了發(fā)揮CRISPR的基因靶向性,研究人員采用失活的Cas9蛋白,這是一種可以在DNA上找到特定位置的Cas9變體,但不對其進行切割,而是將其連接到由石墨烯制成的晶體管上。當CRISPR復合物在其靶向的DNA上找到靶點時,兩者結合并觸發(fā)石墨烯的電導率發(fā)生變化,這相應地改變了晶體管的電特性。而這些變化可通過團隊的工業(yè)界合作伙伴開發(fā)的手持設備進行檢測。

石墨烯由單層碳原子構成,具有電敏感性,無需通過PCR擴增即可檢測到全基因組樣品中的“目標”序列。

“石墨烯的超靈敏度使我們能夠檢測到CRISPR的DNA搜索活動,”Aran說,“CRISPR帶來了選擇性,結合石墨烯晶體管的靈敏度,使我們能夠實現無須通過PCR或無需擴增的檢測?!?/p>

Aran希望能夠很快實現該裝置的“復用”技術,這樣可以讓醫(yī)生同時引入多個指導RNA,以便在幾分鐘內檢測出不同的基因突變。

“想象一下有一個包含大量搜索框的頁面,在我們的設備中是晶體管,你可以在這些搜索框內找到指導RNA的信息,每個晶體管以電子方式搜索并報告搜索結果,”Aran說。

快速診斷

為了證明CRISPR-Chip的靈敏度,該團隊使用該裝置檢測來自DMD患者血液樣本中兩種常見的基因突變。

該論文的另一位合著者Conboy表示,CRISPR-Chip可能成為特別有效的DMD篩查設備,因為嚴重的肌肉萎縮疾病可能是由于大規(guī)模肌營養(yǎng)不良蛋白基因突變引起的,這是人類基因組中最長的一組基因,若使用基于PCR的技術檢測其基因突變不僅昂貴且耗時。

“現在作為一項實驗,患有DMD的男孩通常還不會接受篩查,直到我們發(fā)現問題,才會進行基因確認,”Conboy稱,他也在開發(fā)基于CRISPR的DMD治療方法。

“使用數字設備,可以設計整個肌營養(yǎng)不良蛋白基因的RNA,然后在幾小時內篩查整個基因序列??珊Y查父母,甚至新生兒是否存在肌營養(yǎng)不良蛋白基因突變。如果發(fā)現突變,在疾病真正發(fā)展之前,可盡早開始治療?!盋onboy說道。

Murthy說,由于存在譬如基因突變會使一些患者對昂貴的血液稀釋劑(如Plavix)沒有反應,所以快速基因檢測也可以用來幫助醫(yī)生為患者制定個性化的治療方案。

“如果你有某些突變或某種DNA序列,那將非常準確地預測你對某些藥物的反應,”Murthy說。

Aran說:“因為CRISPR-Chip可用于檢測CRISPR是否與特定DNA序列結合,所以它也可以用于檢測基于CRISPR的基因編輯技術的有效性。例如,它可用于驗證指導RNA的序列設計是否正確?!?/p>

“將現代納米電子學與現代生物學相結合,為獲取以前無法獲得的新生物信息打開了新的大門,” Aran補充道。

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規(guī)問題,請聯系本站處理。 舉報投訴
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