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芯片结合CRISPR和石墨烯可以在几分钟内检测到基因突变
2019年03月28日    阅读量:252    新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

两种最有前途的新技术已被用于显着的结果。美国研究人员将CRISPR与石墨烯制成的电子晶体管结合起来,创造了一种可在几分钟内检测出特定基因突变的新型手持设备。


“我们开发了第一个利用CRISPR搜索基因组潜在突变的晶体管,”KGI的助理教授Kiana Aran说,他是加州大学伯克利分校生物工程学教授Irina Conboy实验室的博士后学者中国化工网okmart.com。“你只需将纯化的DNA样品放在芯片上,让CRISPR进行搜索,石墨烯晶体管可以在几分钟内报告这种搜索结果。”


该新型系统将CRISPR复合物固定在基于石墨烯的晶体管的表面上。这些复合物搜索基因组以找到它们的靶序列,如果搜索成功,则与其DNA结合。这种结合改变了晶体管中石墨烯材料的导电性,从而选择变化并将其传递给手持式读取器。图片来源:凯克研究生院(凯基)。


遗传分析近年来发展迅速。它不仅成为一种相对普遍的科学和医疗实践,而且商业公司甚至提供容易为客户提供的基因测试。据报道,已有超过2000万人接受了家庭基因检测。


当这些测试正在寻找基因突变时,他们会“扩增”感兴趣的DNA片段数百万次,以便更好地观察它。这个过程(称为聚合酶链式反应或PCR)是时间和设备密集型的,这意味着必须将样品送到实验室并通过昂贵和精密的设备进行分析。这是CRISPR和石墨烯进入现场的地方。


该CRISPR-Cas9系统以前所未有的精度带来的,使研究人员能够在非常精确的位置剪断DNA的主题-这通常被称为“基因剪刀”。



“美国加州大学伯克利分校生物工程学教授Niren Murthy表示,”CRISPR-Chip的优势在于它真正的关注点,如果您拥有良好的DNA样本,它是您在床边真正做到这一点的少数事情之一。“和该论文的共同作者。“最后,你只需要取一个人的细胞,提取DNA并将其与CRISPR-Chip混合,你就可以判断某个DNA序列是否存在。这可能会导致对DNA进行真正的床边检测。“


但是为了使它发挥作用,Cas9蛋白需要首先找到它需要切割的斑点。石墨烯是一个单一的碳原子层,具有极强的电气敏感性,并且足够小,适用于此类应用。研究人员附上了一种失活的Cas9蛋白(一种能够找到目标DNA片段,但没有切割它)并将其连接到由石墨烯制成的晶体管上。当蛋白质发现斑点时,它会与斑点结合并触发石墨烯电导率的变化。反过来,这改变了晶体管的特性,并且可以用手持设备检测这种变化。最终,这允许在不到一小时的时间内使用相对简单的设备在几分钟内检测到基因突变。


“石墨烯的超灵敏度使我们能够检测到CRISPR的DNA搜索活动,”Aran说。“CRISPR带来了选择性,石墨烯晶体管带来了灵敏度,并且我们能够一起进行无PCR或无扩增检测。”


为了证明该设备的潜力,研究人员分析了患有Duchenne肌营养不良症(DMD)的患者的血液样本。DMD是一种以进行性肌肉退化和虚弱为特征的遗传性疾病 - 九种已知类型的肌营养不良症之一。DMD等疾病被认为是由整个肌营养不良蛋白基因的突变引起的 - 但这是人类基因组中最长的一种,使用基于PCR的基因检测发现突变可能是昂贵且耗时的。这是新型CRISPR /石墨烯技术可以产生巨大差异的地方。


“现在作为一种做法,患有DMD的男孩通常不会接受筛查,直到我们知道出现问题,然后进行基因确认,”Conboy说,他也在开发基于CRISPR的DMD治疗方法。


“使用数字设备,您可以在整个肌营养不良蛋白基因中设计指导RNA,然后您可以在几小时内筛选基因的整个序列。您可以筛查父母,甚至新生儿是否存在肌营养不良蛋白突变 - 然后,如果发现突变,可以在疾病实际发展之前尽早开始治疗。


研究人员还表示,事情可以扩大到手持设备同时扫描多种遗传疾病的程度。Murthy说,快速基因检测也可以用来帮助医生为患者制定个性化的治疗计划。例如,遗传变异使一些人对昂贵的血液稀释剂(如Plavix)没有反应。


Murthy说,快速基因检测也可以用来帮助医生为患者制定个性化的治疗计划。例如,遗传变异使一些人对昂贵的血液稀释剂(如Plavix)没有反应。


“如果你有某些突变或某些DNA序列,那将非常准确地预测你对某些药物的反应,”Murthy总结道。


该研究已发表在自然生物医学工程中


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