ไบโอเซนเซอร์ DNA ใหม่สามารถปลดล็อกการวินิจฉัยทางคลินิกที่ทรงพลังและต้นทุนต่ำ

ไบโอเซนเซอร์ที่พัฒนาโดยนักวิจัยจากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) มหาวิทยาลัยบราวน์ และสถาบันวิจัย CEA-Leti ที่ได้รับทุนสนับสนุนจากรัฐบาลฝรั่งเศส ระบุตัวบ่งชี้ทางชีวภาพโดยการวัดว่าการจับกันเกิดขึ้นระหว่างสายดีเอ็นเอและอุปกรณ์อย่างไร สิ่งที่ทำให้แตกต่างจากเซ็นเซอร์อื่นๆ ที่คล้ายคลึงกันคือการออกแบบโมดูลาร์ ซึ่งช่วยลดต้นทุนโดยทำให้ผลิตจำนวนมากได้ง่ายขึ้น และอนุญาตให้นำส่วนประกอบที่แพงที่สุดกลับมาใช้ใหม่ได้ ในบทความจากการประชุม IEEE International Electron Devices Meeting ล่าสุดที่เพิ่งโพสต์ทางออนไลน์ นักวิจัยได้นำเสนอผลการศึกษาที่แสดงให้เห็นถึงความไวและความแม่นยำสูงของอุปกรณ์แม้จะมีโมดูลาร์ก็ตาม ซึ่งมักเกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพที่ลดลง เช่นเดียวกับไบโอเซนเซอร์ DNA อื่นๆ อุปกรณ์นี้ใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่า DNA สายเดี่ยวเมื่อไม่ได้จับคู่กับสายอื่นในเกลียวคู่ที่คุ้นเคยจะถูกเตรียมไว้สำหรับการสร้างพันธะเคมี ส่วนหนึ่งของอุปกรณ์ถูกเคลือบด้วย DNA สายเดี่ยว เมื่อ "โพรบ" เหล่านี้พบกับตัวบ่งชี้ทางชีวภาพของ DNA ที่มีลำดับพันธุกรรมที่สอดคล้องกันหรือเสริมกัน ทั้งสองสายจะผูกกันและส่งสัญญาณที่อุปกรณ์จับได้ Arvind Balijepalli นักวิจัยของ NIST ผู้ร่วมวิจัยกล่าวว่า "ในการตรวจวัด เราต้องการโมเลกุล DNA สองโมเลกุล เราวางเส้นใยหนึ่งบนเซ็นเซอร์ของเราที่เสริมกับ DNA เป้าหมาย นั่นคือเข็มที่เลื่องลือในกองหญ้า" . เมื่อสายของ DNA เป้าหมายจับกับโพรบ จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าที่อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ที่เรียกว่า field-effect transistor (FET) สามารถวัดได้ การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้หลายร้อยครั้งต่อวินาทีเมื่อโมเลกุลเปิดและปิดเซ็นเซอร์ เนื่องจากความละเอียดของเวลาสูง วิธีการนี้ไม่เพียงแต่บอกคุณได้ว่าสาย ดีเอ็นเอ นั้นเชื่อมต่อกับโพรบหรือไม่ แต่ยังต้องใช้เวลานานเท่าใดในการเชื่อมต่อและตัดการเชื่อมต่อ ซึ่งเป็นปัจจัยที่เรียกว่าจลนพลศาสตร์การจับซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการแยกแยะเครื่องหมายต่างๆ ที่อาจผูกมัด ไปยังโพรบเดียวกันถึงองศาที่แตกต่างกัน และด้วยวิธีนี้ คุณไม่จำเป็นต้องใช้พื้นที่มากในการวัดจำนวนมาก "นี่เป็นเทคนิคที่ปรับขนาดได้มาก โดยหลักการแล้ว เราสามารถมีเซ็นเซอร์หลายร้อยหรือหลายพันตัวในพื้นที่ 1 ตารางมิลลิเมตรรวมอยู่ในอุปกรณ์ที่มีขนาดเท่าสมาร์ทโฟน ซึ่งยุ่งยากน้อยกว่าเทคโนโลยีบางอย่างที่ใช้อยู่ในปัจจุบันมาก คลินิก” บาลีเจปัลลิกล่าว อย่างไรก็ตามวิธีการที่ใช้ FET ยังไม่ได้รับความนิยมหลัก สิ่งกีดขวางที่สำคัญคือลักษณะการใช้งานครั้งเดียว ซึ่งจนถึงขณะนี้ดูเหมือนมีความจำเป็นแต่เพิ่มต้นทุน เช่นเดียวกับการที่วิทยุของคุณมีเสียงดังมากขึ้นเมื่อคุณขับรถออกจากสถานีวิทยุ สัญญาณไฟฟ้าก็จะมีเสียงดังมากขึ้นเมื่อต้องเดินทางภายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นานขึ้น เสียงสุ่มที่ไม่ต้องการดังขึ้นระหว่างทางทำให้วัดสัญญาณได้ยากขึ้น เพื่อจำกัดสัญญาณรบกวน โดยปกติแล้ว DNA probes ในเซ็นเซอร์ที่ใช้ FET จะถูกต่อเข้ากับทรานซิสเตอร์โดยตรง ซึ่งจะแปลงสัญญาณเป็นข้อมูลที่อ่านได้ ข้อเสียคือหัววัดจะถูกใช้ไปหลังจากสัมผัสกับตัวอย่าง และทำให้อุปกรณ์ทั้งหมดเหมือนกัน ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ Balijepalli และเพื่อนร่วมงานของเขาได้เพิ่มระยะห่างระหว่างโพรบและทรานซิสเตอร์เพื่อให้ชิ้นส่วนวงจรที่มีราคาแพงกว่าสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ บทลงโทษล่วงหน้าคือระยะทางสามารถเพิ่มปริมาณของเสียงได้ อย่างไรก็ตาม มีหลายสิ่งหลายอย่างที่จะได้รับจากตัวเลือกการออกแบบ ยิ่งกว่าการประหยัดต้นทุน “หากเครื่องอ่านสามารถใช้ซ้ำได้ เราสามารถสร้างเทคโนโลยีที่ซับซ้อนมากขึ้นในเครื่อง และทำให้การอ่านมีความแม่นยำสูงขึ้น และยังสามารถเชื่อมต่อกับองค์ประกอบการตรวจจับที่ราคาไม่แพงและใช้แล้วทิ้งได้” บาลิเจปาลลีกล่าว เนื่องจากคาดว่าการออกแบบโมดูลาร์จะลดความไวของไบโอเซนเซอร์ นักวิจัยจึงนำหน้าหนึ่งออกจากหนังสือคู่มืออินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) ซึ่งรองรับการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ไร้สาย ผู้เขียน NIST จับคู่วงจรของพวกเขากับ FET ที่ใช้พลังงานต่ำมากชนิดหนึ่งที่พัฒนาโดย CEA-LETI ซึ่งใช้ในนาฬิกาอัจฉริยะ ผู้ช่วยส่วนตัว และอุปกรณ์อื่นๆ เพื่อขยายสัญญาณและชดเชยความไวที่สูญเสียไป เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของอุปกรณ์ พวกเขาใส่มันลงในตัวอย่างของเหลวที่มีสายดีเอ็นเอที่เกี่ยวข้องกับการสัมผัสกับรังสีไอออไนซ์ที่เป็นอันตราย โพรบ DNA เสริมประดับอิเล็กโทรดที่เชื่อมต่อกับ FET ในหลายตัวอย่าง พวกเขาเปลี่ยนปริมาณของ DNA เป้าหมาย นักวิจัยพบว่าจลนพลศาสตร์ของการจับมีความไวเพียงพอที่จะทำการวัดที่แม่นยำแม้ในความเข้มข้นต่ำ โดยรวมแล้ว ประสิทธิภาพของการออกแบบโมดูลาร์นั้นเทียบเท่ากับไบโอเซนเซอร์แบบ FET ที่ไม่ใช่โมดูลาร์ในตัว ขั้นตอนต่อไปในการวิจัยของพวกเขาคือการค้นหาว่าเซ็นเซอร์ของพวกเขาสามารถทำงานได้เหมือนกันกับลำดับดีเอ็นเอที่แตกต่างกันซึ่งเกิดจากการกลายพันธุ์หรือไม่ เนื่องจากโรคต่างๆ เกิดจากหรือเกี่ยวข้องกับ DNA ที่กลายพันธุ์ ความสามารถนี้จึงจำเป็นสำหรับการวินิจฉัยทางคลินิก การศึกษาอื่นๆ อาจประเมินความสามารถของเซ็นเซอร์ในการตรวจจับสารพันธุกรรมที่เกี่ยวข้องกับไวรัส เช่น โควิด-19 ที่อาจบ่งบอกถึงการติดเชื้อ ในระหว่างนี้ เทคโนโลยีใหม่นี้อาจเป็นรากฐานที่ใช้การได้ในการต่อยอด "มีโอกาสในการพัฒนาเซ็นเซอร์โมดูลาร์ที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งสามารถเข้าถึงได้มากขึ้นโดยไม่ต้องเสียสละการวัดคุณภาพสูง" นายบาลิเจปาลลิกล่าว