“Chúng tôi đang đi đầu trong việc phát triển một phương pháp kỹ thuật số nhanh chóng và không tốn kém để phát hiện đột biến gene độ phân giải cao với quy mô một sự thay đổi nucleotide duy nhất trong một chuỗi acid nucleic”, Ratnesh Lal, giáo sư công nghệ sinh học tại UC San Diego cho biết.
Công nghệ này, hiện đang trong giai đoạn chứng minh khái niệm, là bước đầu tiên hướng tới một chip cảm biến sinh học có thể được cấy vào cơ thể để phát hiện một đột biến ADN cụ thể trong thời gian thực và truyền thông tin không dây tới một thiết bị di động, như điện thoại thông minh hoặc máy tính xách tay chẳng hạn.
Nhóm nghiên cứu của giáo sư Lal đã phát triển một kỹ thuật mới để phát hiện các đột biến di truyền phổ biến nhất, được gọi là đa hình nucleotide đơn (SNP), một biến thể của nucleotide đơn (A, C, G hoặc T) trong chuỗi ADN. Trong khi hầu hết các SNP không có ảnh hưởng rõ ràng về sức khỏe, một số được liên kết với tình trạng bệnh lý như ung thư, tiểu đường, tim mạch, rối loạn thoái hóa thần kinh, tự miễn dịch và các viêm nhiễm.
Hiện các phương pháp phát hiện SNP tương đối chậm, tốn kém và đòi hỏi các thiết bị cồng kềnh.
Con chip cảm biến sinh học này bao gồm một đầu dò ADN gắn trong một bóng bán dẫn (transistor) hiệu ứng trường graphene. Dầu dò ADN là một mảnh thiết kế ADN chuỗi kép có chứa một trình tự mã hóa cho một loại SNP cụ thể. Con chip này được thiết kế và chế tạo đặc biệt để nắm bắt được các phân tử ADN (hoặc RNA) với đột biến nucleotide đơn - bất cứ khi nào những đoạn ADN (hoặc RNA) bám vào các đầu dò, tín hiệu điện sẽ được phát ra.
Chip này về cơ bản hoạt động bằng cách thực hiện quá trình chuyển đổi sợi ADN, trong đó một ADN chuỗi kép trao đổi một sợi cho một sợi bổ sung khác. Các sợi bổ sung mới có chứa các đột biến nucleotide đơn, kết hợp chặt chẽ hơn với một trong các sợi trong chuỗi xoắn kép và chiếm chỗ của các sợi khác. Trong nghiên cứu này, các đầu dò ADN là một chuỗi xoắn kép gồm hai sợi ADN bổ sung được thiết kế để gắn kết yếu với nhau: một sợi “bình thường”, gắn vào các transistor graphene; và một sợi “yếu”, trong đó bốn biến thể nucleotide G trong chuỗi đã được thay thế bằng inosines để làm suy yếu liên kết với sợi bình thường. Sợi ADN có trình tự bổ sung hoàn toàn phù hợp với sợi bình thường, các sợi có chứa các SNP sẽ liên kết với các sợi bình thường và thay thế các sợi yếu. Các nhà nghiên cứu đã thiết kế các chip tạo ra một tín hiệu điện khi một sợi có chứa SNP liên kết với đầu dò, cho phép phát hiện SNP một cách nhanh chóng và dễ dàng trong một mẫu ADN.
Một tính năng mới của con chip này là đầu dò ADN được gắn liền với một transistor graphene cho phép nó chạy bằng điện. Điểm nổi bật của nghiên cứu này là chúng ta có thể thực hiện chuyển sợi ADN trên một bóng bán dẫn hiệu ứng trường graphene. Đây là đầu tiên việc kết hợp công nghệ nano ADN động với cảm biến điện tử có độ phân giải cao được thực hiện, nhờ đó có thể sử dụng các thiết bị điện tử không dây để phát hiện các SNP.
Công nghệ sử dụng một đầu dò ADN chuỗi kép của nhóm kỹ sư tại UC San Diego là một sự cải tiến so với các phương pháp phát hiện SNP khác thường sử dụng đầu dò ADN chuỗi đơn. Với đầu dò này, chỉ một đoạn ADN phù hợp với các sợi bình thường là có khả năng thay sợi yếu. “Đầu dò ADN chuỗi đơn không mang đến sự chọn lọc này, thậm chí một sợi ADN có chứa một nucleotide không phù hợp có thể liên kết với các đầu dò và cho ra kết quả dương tính giả”, giáo sư Lal cho biết.
Một ưu điểm khác của đầu dò ADN chuỗi kép là có thể kéo dài hơn, cho phép chip phát hiện một SNP trong dải ADN dài hơn. Trong nghiên cứu này, nhóm của Lal thông báo đã phát hiện SNP thành công với độ dài 47 nucleotide - lớn nhất từng được sử dụng trong việc phát hiện SNP cho đến nay, các nhà nghiên cứu cho biết.
Ngoài ra, một đầu đò dài hơn còn đảm bảo rằng các trình tự ADN được phát hiện là duy nhất trong hệ gene. “Hy vọng rằng chúng tôi có thể phát triển một chip phát hiện các đoạn cụ thể SNP đáng tin cậy. Thật vậy, chúng tôi đã đạt được một mức độ cao về độ nhạy và độ đặc hiệu với công nghệ này”, giáo sư Lal nói thêm.
Các bước tiếp theo bao gồm nhân rộng công nghệ này và bổ sung thêm khả năng không dây cho chip. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã hình dung cách thử nghiệm chip trong thiết bị lâm sàng và sử dụng nó để tiến hành sinh thiết lỏng. Họ cũng cho rằng công nghệ này có thể dẫn đến một thế hệ mới của các phương pháp chẩn đoán và điều trị cá nhân trong y học.
