Los biosensores basados en grafeno podrían marcar el comienzo de una era de biopsia líquida, detectando marcadores de cáncer de ADN que circulan en la sangre o el suero de un paciente. Pero los diseños actuales necesitan mucho ADN. En un nuevo estudio, el grafeno arrugado lo hace más de diez mil vecesmás sensibles al ADN al crear "puntos calientes" eléctricos, encontraron investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
El grafeno arrugado podría usarse en una amplia gama de aplicaciones de biodetección para un diagnóstico rápido, dijeron los investigadores. Publicaron sus resultados en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
"Este sensor puede detectar concentraciones ultra bajas de moléculas que son marcadores de enfermedad, lo cual es importante para el diagnóstico temprano", dijo el líder del estudio Rashid Bashir, profesor de bioingeniería y decano del Grainger College of Engineering en Illinois ".Es muy sensible, es de bajo costo, es fácil de usar y está usando el grafeno de una manera nueva ".
Si bien la idea de buscar secuencias indicadoras de cáncer en ácidos nucleicos, como el ADN o su primo ARN, no es nueva, este es el primer sensor electrónico que detecta cantidades muy pequeñas, como las que se pueden encontrar en el suero de un paciente,sin procesamiento adicional.
"Cuando tienes cáncer, ciertas secuencias se sobreexpresan. Pero en lugar de secuenciar el ADN de alguien, lo que lleva mucho tiempo y dinero, podemos detectar esos segmentos específicos que son biomarcadores de cáncer en el ADN y el ARN que se secretan de los tumores ala sangre ", dijo Michael Hwang, primer autor del estudio e investigador postdoctoral en el Laboratorio de Micro y Nanotecnología Holonyak en Illinois.
El grafeno, una lámina plana de carbono de un átomo de espesor, es un material popular y de bajo costo para sensores electrónicos. Sin embargo, los sensores de ácido nucleico desarrollados hasta ahora requieren un proceso llamado amplificación: aislar un fragmento de ADN o ARN ycopiarlo muchas veces en un tubo de ensayo. Este proceso es largo y puede introducir errores. Por lo tanto, el grupo de Bashir se propuso aumentar el poder de detección del grafeno hasta el punto de poder analizar una muestra sin amplificar primero el ADN.
Muchos otros enfoques para impulsar las propiedades electrónicas del grafeno han involucrado estructuras de nanoescala cuidadosamente elaboradas. En lugar de fabricar estructuras especiales, el grupo de Illinois simplemente estiró una delgada lámina de plástico, colocó el grafeno encima y luego liberó la tensión en el plástico, haciendo que el grafeno se arrugue y forme una superficie arrugada.
Probaron la capacidad del grafeno arrugado para detectar el ADN y un microARN relacionado con el cáncer tanto en una solución tampón como en suero humano sin diluir, y vieron que el rendimiento mejoraba decenas de miles de veces sobre el grafeno plano.
"Esta es la sensibilidad más alta jamás reportada para la detección eléctrica de una biomolécula. Antes, necesitaríamos decenas de miles de moléculas en una muestra para detectarla. Con este dispositivo, podríamos detectar una señal con solo unas pocas moléculas".Hwang dijo: "Esperaba ver alguna mejora en la sensibilidad, pero no así".
Para determinar la razón de este aumento en la potencia de detección, el profesor de ciencias mecánicas e ingeniería Narayana Aluru y su grupo de investigación utilizaron simulaciones detalladas por computadora para estudiar las propiedades eléctricas del grafeno arrugado y cómo el ADN interactúa físicamente con la superficie del sensor.
Descubrieron que las cavidades servían como puntos calientes eléctricos, actuando como una trampa para atraer y retener las moléculas de ADN y ARN.
"Cuando se desmorona el grafeno y se crean estas regiones cóncavas, la molécula de ADN encaja en las curvas y cavidades de la superficie, por lo que una mayor parte de la molécula interactúa con el grafeno y podemos detectarlo", dijo el estudiante graduado Mohammad Heiranian, un co-primer autor del estudio. "Pero cuando tienes una superficie plana, a otros iones en la solución les gusta más la superficie que el ADN, por lo que el ADN no interactúa mucho con el grafeno y no podemos detectarlo".
Además, el arrugamiento del grafeno creó una tensión en el material que cambió sus propiedades eléctricas, induciendo una brecha de banda, una barrera de energía que los electrones deben superar para fluir a través del material, que lo hizo más sensible a las cargas eléctricas en elMoléculas de ADN y ARN.
"Este potencial de banda prohibida muestra que el grafeno arrugado podría usarse también para otras aplicaciones, como nano circuitos, diodos o electrónica flexible", dijo Amir Taqieddin, un estudiante graduado y coautor del artículo.
Aunque el ADN se usó en la primera demostración de la sensibilidad del grafeno arrugado a las moléculas biológicas, el nuevo sensor podría ajustarse para detectar una amplia variedad de biomarcadores objetivo. El grupo de Bashir está probando el grafeno arrugado en los sensores para detectar proteínas y moléculas pequeñas también.
"Eventualmente, el objetivo sería construir cartuchos para un dispositivo portátil que detectaría moléculas objetivo en unas pocas gotas de sangre, por ejemplo, en la forma en que se controla el azúcar en la sangre", dijo Bashir. "La visión es tener medicionesrápidamente y en un formato portátil "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Oficina de Noticias . Original escrito por Liz Ahlberg Touchstone. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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