Neues Tool könnte Krebsproteinmarker und Viren leicht erkennen

Checked_Mis/iStock

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Forscher haben einen winzigen Biochip aus Siliziumblöcken entwickelt, der das Potenzial für ein schnelles genetisches Screening von Tausenden von Molekülen birgt.

Laut einem Science-Bericht könnte dieses Tool möglicherweise über 160.000 verschiedene Moleküle auf einem einzigen Quadratzentimeter Raum identifizieren.

Diese innovative Technologie hat Auswirkungen auf ein breites Spektrum medizinischer Bereiche, einschließlich der Erkennung von Krebsproteinmarkern und der klinischen Diagnostik von Atemwegsinfektionen.

Die meisten genetischen Testsensoren basieren auf der Überwachung der Lichtabsorption oder -emission von Zielmolekülen, die an das Zielgen binden sollen.

Diese Methoden nutzen die Polymerase-Kettenreaktion, um zahlreiche Kopien des Ziels zu erzeugen, bevor versucht wird, es zu identifizieren, was die Kosten und die Dauer des Tests erhöht.

Darüber hinaus waren die bisherigen genetischen Screening-Sensoren nicht in der Lage, eine Vielzahl von Zielverbindungen zu identifizieren und erforderten eine optische Markierung, um Zielsequenzen zu erkennen.

Die Autoren der Stanford University schrieben in der Studie: „Wir führen eine markierungsfreie genetische Screening-Plattform ein, die auf hochwertigen (High-Q)-Faktor-Silizium-Nanoantennen basiert, die mit Nukleinsäurefragmenten funktionalisiert sind.“

Um dieses Werkzeug zu entwickeln, verwendeten die Wissenschaftler eine optische Erkennungstechnologie, die auf Metaoberflächen aus kleinen Siliziumkästen basiert. Diese winzigen Silizium-Arrays sind etwa 500 Nanometer hoch, 600 Nanometer lang und 160 Nanometer breit.

Dank der Nanoantennen können Siliziumkästen Nahinfrarotlicht auf ihre Oberfläche fokussieren. „Diese Metaoberflächen bestehen aus Nanoantennen unterhalb der Wellenlänge, die das Licht im Nahfeld stark einschränken und gleichzeitig eine präzise Kontrolle über die Fernfeldstreuung ermöglichen“, erklärt die Studie.

Laut Science ermöglicht dieser Ansatz, mit einem einfachen optischen Mikroskop die Verschiebung der Wellenlänge des von jedem Siliziumblock ausgehenden Lichts zu messen, die je nach den Molekülen auf den Kisten variiert.

Um das Werkzeug auf die Probe zu stellen, befestigten die Forscher 22 Nukleotide lange einzelsträngige Genschnipsel an Silikonkästen und tauchten das Array in eine Pufferlösung.

Als die komplementären DNA-Stränge in die Lösung eingeführt wurden, verbanden sie sich sofort mit den angebundenen Strängen und veränderten so die Wellenlänge des von der Oberfläche jeder Box emittierten Lichts.

Nach Angaben des Autors können mit diesem Tool problemlos 4000 Kopien von Zielgenen pro Mikroliter identifiziert werden.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Studienzusammenfassung:

Genetische Analysemethoden sind von grundlegender Bedeutung für die Weiterentwicklung der personalisierten Medizin, die Beschleunigung der Krankheitsdiagnose und die Überwachung der Gesundheit von Organismen und Ökosystemen. Aktuelle Nukleinsäuretechnologien wie die Polymerasekettenreaktion (PCR) und Next-Generation-Sequencing (NGS) basieren auf der Probenamplifikation und können unter Hemmungen leiden. Hier stellen wir eine markierungsfreie genetische Screening-Plattform vor, die auf hochwertigen (High-Q)-Faktor-Silizium-Nanoantennen basiert, die mit Nukleinsäurefragmenten funktionalisiert sind. Jede High-Q-Nanoantenne weist im physiologischen Puffer einen durchschnittlichen Resonanzqualitätsfaktor von 2.200 auf. Wir weisen zwei Genfragmente, die SARS-CoV-2-Hülle (E) und den offenen Leserahmen 1b (ORF1b), quantitativ mit hoher Spezifität über DNA-Hybridisierung nach. Wir zeigen auch eine femtomolare Empfindlichkeit in Puffer und eine nanomolare Empfindlichkeit in dotierten Nasopharyngeal-Eluaten innerhalb von 5 Minuten. Nanoantennen werden mit einer Dichte von 160.000 Geräten pro cm2 strukturiert, was zukünftige Arbeiten zur hochmultiplexten Erkennung ermöglicht. In Kombination mit Fortschritten in der komplexen Probenverarbeitung bietet unsere Arbeit eine Grundlage für schnelle, kompakte und amplifikationsfreie molekulare Tests.