Ερευνητές δημιούργησαν έναν αισθητήρα που χρησιμοποιεί την τεχνολογία γονιδιακής επεξεργασίας CRISPR για τη διάγνωση ασθενειών, ακόμα και σε ακραίες συνθήκες. Επιστήμονες του MIT ανέπτυξαν έναν φθηνό και ανθεκτικό αισθητήρα βασισμένο στο DNA, ικανό να ανιχνεύει ασθένειες με ακρίβεια και να παραμένει λειτουργικός για εβδομάδες χωρίς ψύξη, γεγονός που τον καθιστά ιδανικό για χρήση σε περιβάλλοντα πέρα από τα παραδοσιακά εργαστήρια. Ο ηλεκτροχημικός αυτός αισθητήρας αξιοποιεί ένα ένζυμο που “κόβει” το DNA, το οποίο προέρχεται από το σύστημα γονιδιακής επεξεργασίας CRISPR.
Η χορτοκοπτική συναντά το CRISPR
Όταν το ένζυμο εντοπίζει έναν στόχο, όπως για παράδειγμα, ένα γονίδιο που σχετίζεται με τον καρκίνο, ενεργοποιείται και αρχίζει να κατακερματίζει το DNA που βρίσκεται κοντά στο ηλεκτρόδιο του αισθητήρα, όπως μια μηχανή που κόβει το γρασίδι. Αυτή η καταστροφή αλλάζει το ηλεκτρικό σήμα, αποκαλύπτοντας την παρουσία της ασθένειας.
Μέχρι πρότινος, η επικάλυψη DNA αλλοιωνόταν γρήγορα, γεγονός που απαιτούσε την άμεση κατασκευή και ψύξη των αισθητήρων, περιορίζοντας σημαντικά τη δυνατότητα αξιοποίησής τους σε πραγματικές συνθήκες. Οι ερευνητές του MIT έλυσαν αυτό το πρόβλημα με ένα απλό πολυμερές επίχρισμα που διατηρεί το DNA σταθερό για έως και δύο μήνες, ακόμα και σε υψηλές θερμοκρασίες.
Μετά την αποθήκευση, ο αισθητήρας εντόπισε επιτυχώς το PCA3, έναν βιοδείκτη καρκίνου του προστάτη που ανιχνεύεται στα ούρα, χωρίς απώλεια απόδοσης. Με κόστος παραγωγής μόλις 50 σεντς, οι αναλώσιμοι αυτοί αισθητήρες αποτελούν μια οικονομικά προσιτή και κατάλληλη λύση για περιβάλλοντα με περιορισμένους πόρους, προσφέροντας δυνατότητες διάγνωσης για πλήθος ασθενειών.
«Εστιάζουμε στη διάγνωση στην οποία πολλοί άνθρωποι δεν έχουν εύκολη πρόσβαση, και ο στόχος μας είναι να δημιουργήσουμε έναν αισθητήρα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο σπίτι», δήλωσε η Άριελ Φουρστ, καθηγήτρια χημικής μηχανικής στο MIT και κύρια ερευνήτρια της μελέτης.
Από το εργαστήριο στο σαλόνι
Οι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες ανιχνεύουν ασθένειες παρακολουθώντας αλλαγές στο ηλεκτρικό ρεύμα όταν ένα μόριο-στόχος αλληλεπιδρά με ένα ένζυμο, παρόμοια με τους μετρητές γλυκόζης. Η εκδοχή του MIT χρησιμοποιεί μια λωρίδα από φύλλο χρυσού επικαλυμμένη με DNA, η οποία έχει τοποθετηθεί πάνω σε πλαστικό υπόστρωμα, με το DNA να είναι σταθεροποιημένο μέσω ενός μορίου με βάση το θείο, που ονομάζεται θειόλη.
Ο αισθητήρας, ο οποίος πρωτοπαρουσιάστηκε το 2021, ανιχνεύει γενετικό υλικό από ιούς όπως ο HIV και ο HPV, χρησιμοποιώντας έναν προγραμματιζόμενο οδηγό RNA συνδεδεμένο με το Cas12, ένα ένζυμο σχετικό με το Cas9 του CRISPR. Όταν το μόριο-στόχος είναι παρόν, το ένζυμο Cas12 ενεργοποιείται και κόβει το περιβάλλον DNA, συμπεριλαμβανομένων και των αλυσίδων πάνω στον αισθητήρα. Αυτό το «κόψιμο» του DNA μεταβάλλει το ηλεκτρικό σήμα, το οποίο καταγράφεται από μια φορητή συσκευή που ονομάζεται ποτενσιοστάτης, επιβεβαιώνοντας έτσι την παρουσία του γονιδίου-στόχου.
«Όταν το Cas12 είναι ενεργό, λειτουργεί σαν χορτοκοπτικό που κόβει όλο το DNA στον ηλεκτρόδιο και έτσι σβήνει το σήμα», εξηγεί η Φουρστ.
Προηγούμενες εκδόσεις απαιτούσαν να εφαρμόζεται το επίχρισμα DNA ακριβώς πριν τη χρήση. Για να το αντιμετωπίσουν αυτό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πολυβινυλική αλκοόλη (PVA), ένα φθηνό πολυμερές που σχηματίζει μια λεπτή μεμβράνη πάνω στο DNA. Όταν στεγνώσει, η μεμβράνη προστατεύει τον αισθητήρα από περιβαλλοντικές φθορές, επεκτείνοντας σημαντικά τη διάρκεια ζωής του.
«Όταν στεγνώσει, δημιουργεί ένα ισχυρό φράγμα ενάντια σε παράγοντες που βλάπτουν το DNA, όπως τα είδη αντιδραστικού οξυγόνου που μπορούν να καταστρέψουν το DNA ή να διακόψουν τον δεσμό θειόλης με το χρυσό και να απομακρύνουν το DNA από το ηλεκτρόδιο», λέει η Φουρστ.
Η επίστρωση πολυμερούς διατήρησε το DNA σταθερό για τουλάχιστον δύο μήνες, ακόμα και σε θερμοκρασίες έως 65 βαθμούς Κελσίου. Όταν μετά την αποθήκευση η μεμβράνη αφαιρέθηκε, ο αισθητήρας ανίχνευσε επιτυχώς το PCA3.
Το τεστ είναι συμβατό με διαφορετικούς τύπους δειγμάτων, όπως σάλιο και ρινικά επιχρίσματα, και μπορεί να προσαρμοστεί για χαμηλού κόστους ανίχνευση λοιμωδών ασθενειών όπως ο HPV και ο HIV. Η πλατφόρμα είναι αρκετά ευέλικτη ώστε να στοχεύει και νέους παθογόνους οργανισμούς.
Για να προχωρήσουν στην πρακτική εφαρμογή, μέλη του εργαστηρίου της Φουρστ εντάχθηκαν στον επιταχυντή startup delta v του MIT. Οι αισθητήρες, οι οποίοι μπορούν πλέον να αποθηκευτούν, θα δοκιμαστούν σε πραγματικές συνθήκες.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στην επιστημονική επιθεώρηση «ACS Sensors».
