【新闻速递】研究人员开发低成本模块化设计的DNA生物传感器

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研究人员计划将他们的设计集成到一个同智能手机一样大小和形状的设备中，用于低成本的临床诊断。

美国国家标准与技术研究所（NIST）、布朗大学和法国政府资助的研究机构CEA-Leti的研究人员开发了一种新的生物传感器芯片，通过测量DNA链和设备之间的结合方式来识别生物标志物。

它与其他类似传感器的区别在于其采用了模块化设计，这种设计使其更容易大规模生产并能够重复使用最昂贵的组件来降低成本。

在最近发布在网上的一篇论文1，研究人员展示了一项研究的结果，该研究证明了该设备的高灵敏度和高精确度，尽管其模块化通常与性能下降有关。

设备如何工作

像其他DNA生物传感器一样，该设备利用了这一个原理——即在熟悉的双螺旋结构中，当一条DNA链未与另一条链配对时，它已经做好了形成化学键的准备。

当这些“探针”遇到具有相应或互补遗传序列的DNA生物标记时，两条链结合，发出一个信号，该信号就会被该设备接收。

NIST研究员Arvind Balijepalli是这项新研究的研究者之一，他说：“为了进行测量，我们需要两个DNA分子。我们在传感器上放置一条与目标DNA互补的链，这就是众所周知的大海捞针。”

当一条目标DNA链与探针结合时，它会诱导产生一种电压偏移，这种电压偏移被称为场效应晶体管（FET）），可以用半导体器件进行测量。随着分子在传感器上来回移动，这些电压偏移每秒钟可能发生数百次。

由于其高时间分辨率，通过这种方法不仅可以知道一条DNA链是否与探针结合，还可以知道连接和断开需要多长时间——这是一个称为结合动力学的因素，是区分不同标记物的关键，这些标记物可能以不同程度与同一探针结合。使用这种方法，您可以节省空间。

Balijepalli说：“这是一项非常可扩展的技术。原则上，我们可以在一平方毫米的面积内将数百个甚至数千个传感器集成到一个智能手机大小般的设备中，这比临床上目前使用的一些技术要简单得多”。

可重复使用

然而，FET的方法尚未成为主流。一个重要的绊脚石是它们的次抛性质，直到现在仍无法改变，这增加了使用成本。

探针无法重复使用的原理就像开车离开电台时，收音机噪音变得越来越嘈杂，电信号在电子设备中传输的时间越长，噪音也越大。沿途捕捉的无用随机噪声会使得信号更难测量。

为了限制噪音，基于FET的传感器中的DNA探针通常直接附着在晶体管上，晶体管将信号转换为可读数据。缺点是探针暴露后被磨损而无法使用，因此整个设备也随之报废。

在这项新的研究中，Balijepalli和他的同事们增加了探针和晶体管之间的距离，以便可以重复使用电路中更昂贵的元件。前期的损失是距离会增加噪音量；然而，从设计选择中有能收获很多好处，甚至超出了成本节约。

Balijepalli说：“如果读取装置可重复使用，我们可以在其中建立更复杂的技术，获得更高的读数精度，并且可以为它配备便宜的一次性传感元件”。

最大化灵敏度

因为他们预计模块化设计会降低生物传感器的灵敏度，所以研究人员借鉴了物联网（IoT）的做法，考虑了与无线设备相关的损耗。

 NIST的研究者将他们的电路与CEA-LETI开发的一种特殊类型的超低功耗FET配对，这种FET可用于智能手表、个人助理和其他设备，以放大信号并补偿灵敏度的损失。

测试

为了测试设备的性能，他们将设备放在含有与暴露于有害电离辐射相关的DNA链的液体样本中。互补的DNA探针装饰连接到FET的电极上。在几个样本中，他们改变了目标DNA的数量。

研究人员发现，即使在低浓度下，结合动力学也足够敏感，能进行准确的测量。总而言之，模块化设计的性能与集成式非模块化FET生物传感器相匹配。

接下来的计划

研究的下一步是发现他们的传感器是否可以对突变引起的不同DNA序列进行类似的操作。由于许多疾病是由突变的DNA引起或与之有关，这种能力对于临床诊断是至关重要。

其他研究可能会评估传感器检测与病毒相关的遗传物质的能力，如新冠肺炎病毒，这可能说明存在感染。

与此同时，新技术可能是一个可行的基础。

Balijepalli说：“有机会开发更复杂的模块化传感器，这些传感器在不牺牲高质量测量的情况下更容易获得”。

Seulki Cho, Alexander Zaslavsky，et al.“High-Resolution DNA Binding Kinetics Measurements with Double Gate FD-SOI Transistors”International Electron Devices Meeting （IEDM）（2022）.

组稿：王巧玲

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