Nuevo biosensor de ADN podría hacer que los diagnósticos clínicos de alta calidad sean más accesibles

El ADN puede indicar la presencia o predisposición a varias enfermedades, incluido el cáncer. Al marcar estas señales, conocidas como biomarcadores, los profesionales médicos pueden llegar a diagnósticos tempranos críticos y ofrecer tratamientos personalizados. Sin embargo, los métodos típicos de detección suelen ser laboriosos, costosos o descubren información limitada. Ahora, un nuevo chip biosensor con un diseño preciso y económico tiene el potencial de mejorar la accesibilidad a diagnósticos de alta calidad.

El biosensor, desarrollado por un equipo de investigadores, que incluyó a los del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, Gaithersburg, MD, EUA), identifica biomarcadores midiendo cómo ocurre la unión entre las hebras de ADN y el dispositivo. El biosensor se diferencia de otros sensores similares principalmente por su diseño modular, que reduce los costos al permitir la producción en masa y la reutilización de los componentes más costosos. En un estudio, el equipo demostró la alta sensibilidad y precisión del dispositivo a pesar de su modularidad, que generalmente se asocia con un rendimiento reducido.

De forma similar a otros biosensores de ADN, el nuevo dispositivo aprovecha el hecho de que una sola hebra de ADN, cuando no está emparejada con otra dentro de la doble hélice familiar, está preparada para la unión química. Parte del dispositivo está recubierta con hebras simples de ADN. Cuando estas "sondas" encuentran biomarcadores de ADN que tienen una secuencia genética correspondiente o complementaria, las dos hebras se unen y envían una señal que es captada por el dispositivo. Cuando una cadena de ADN objetivo se une a una sonda, induce un cambio de voltaje que un dispositivo semiconductor, llamado transistor de efecto de campo (FET), puede medir. Tales cambios de voltaje pueden ocurrir cientos de veces por segundo a medida que las moléculas entran y salen del sensor. Como resultado de su alta resolución de tiempo, el método puede determinar si una hebra de ADN está unida a una sonda, así como cuánto tiempo lleva conectarse y desconectarse, un factor llamado cinética de unión que es vital para discernir varios marcadores que podrían unirse a la misma sonda en diversos grados. El método tampoco necesita mucho espacio para medir mucho.

Sin embargo, los métodos basados en FET aún no se han generalizado, principalmente debido a su naturaleza de un solo uso, que hasta ahora se consideraba una necesidad pero aumenta su costo. De manera similar a cómo la radio se vuelve más ruidosa a medida que uno se aleja de una estación de radio, las señales eléctricas también se vuelven cada vez más ruidosas cuanto más largo sea el viaje por los dispositivos electrónicos. Este ruido aleatorio no deseado que se recoge en el camino hace que sea más difícil medir la señal. Para limitar el ruido, las sondas de ADN en sensores basados en FET generalmente se conectan directamente al transistor, que convierte la señal en datos legibles. Sin embargo, esto tiene un inconveniente ya que las sondas se gastan después de exponerse a una muestra, junto con todo el dispositivo. En el nuevo estudio, los investigadores aumentaron la distancia entre las sondas y el transistor para permitir la reutilización de los elementos más caros del circuito. Los investigadores encontraron que la distancia podría aumentar la cantidad de ruido, aunque ganaron mucho con la elección del diseño, además del ahorro de costos.

Los investigadores habían anticipado que el diseño modular disminuiría la sensibilidad del biosensor y sacaron una página del libro de jugadas de Internet de las cosas (IdC), que se adapta a las pérdidas asociadas con los dispositivos inalámbricos. El equipo combinó el circuito con un tipo específico de FET de potencia extremadamente baja desarrollado en CEA-LETI que se utiliza en relojes inteligentes, asistentes personales y otros dispositivos para amplificar las señales y compensar la sensibilidad perdida. Los investigadores probaron el rendimiento del dispositivo colocándolo en muestras líquidas que contenían hebras de ADN asociadas con la exposición a radiaciones ionizantes nocivas. Sondas de ADN complementarias adornadas con electrodos conectados al FET. Los investigadores variaron la cantidad de ADN objetivo en varias muestras y descubrieron que la cinética de unión era lo suficientemente sensible como para permitir mediciones precisas incluso en concentraciones bajas. Descubrieron que el rendimiento del diseño modular era tan bueno como el de los biosensores integrados basados en FET no modulares. Los investigadores ahora planean examinar si el sensor puede funcionar de manera similar con diferentes secuencias de ADN debido a mutaciones. Dado que varias enfermedades están causadas o asociadas con el ADN mutado, esta capacidad es esencial para el diagnóstico clínico. También planean realizar otros estudios para examinar la capacidad del sensor para detectar material genético asociado con virus, como el SARS-CoV-2 que causa la COVID-19 y podría indicar una infección.

“Existe la oportunidad de desarrollar sensores modulares más sofisticados que sean mucho más accesibles sin sacrificar las mediciones de alta calidad”, dijo el investigador del NIST Arvind Balijepalli, coautor del nuevo estudio.

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NIST