حسگر گرافنی ارزان قیمت برای تشخیص جهش های ژنتیکی

یکی از معمول ترین نشانه‌های بیماری‌هایی همچون سرطان در بدن وجود جهش‌های ژنتیکی به نام پلی مورفیسم تک نوکلئوتیدی در خون فرد است. البته متاسفانه آزمون‌هایی که بتواند این جهش‌های ژنتیکی را تشخیص دهد بسیار کند، پیچیده و البته گران قیمت هستند. در پاسخ به این مشکل گروهی در دانشگاه کالیفرنیا، حسگری را بر پایه‌ی گرافن توسعه داده‌اند که می‌تواند نتایج این آزمون را به سادگی هر چه تمام به روشی ارزان قیمت و به صورت آنی به دست دهد. به باور پژوهشگران این حسگر می‌تواند دستاوردی بزرگ در تشخیص و غربال گری بیماری‌های خطرناک و کشنده محسوب شود.

جهش ژنتیکی SNP در حقیقت تغییری در بازهای تکی نوکلئوتیدی (شامل بازهای نیتروژنی آدنین، سیتوزین، گوانین و تیامین) در رشته‌ی دی‌ان‌ای - که در تمامی سلول‌های بدن وجود دارد - محسوب می‌شود. البته بسیاری از این SNPهای شناخته شده تاثیری بر سلامت بدن ندارند ولی برخی از آن‌ها به طور خاص به برخی از بیماری‌های مهلک و مرگ آور همچون سرطان، ناهنجاری‌های عصبی، دیابت، مشکلات قلبی و ... مربوط می‌شوند. حسگری که این گروه در دانشگاه توسعه داده‌اند نیز جهت شناسایی این SNPهای خطرناک طراحی شده است.

البته تا کنون حسگرهای متنوعی با استفاده از گرافن ساخته شده است، حسگرهایی که قادر به شناسایی انواع گازها و مولکول‌های پروتئینی و ... هستند اما حسگر حاضر به شکلی جالب از خود رشته‌ی دی‌ان‌ای برای شناسایی این ناهنجاری‌های ژنتیکی بهره برده است .

یکی از رشته‌های دوگانه دی‌ان‌ای به کار رفته در این حسگر با رشته‌ی دیگری جا به جا شده است، بنابراین  شناساگر دی‌ان‌ای در این جا از دو رشته‌ی دی‌ان‌ای برخوردار است که البته پیوند آن‌ها ضعیف و ناپایدار است. این دو رشته که بر روی ترانزیستوری از جنس گرافن قرار گرفته‌اند در حقیقت دو رشته‌اند که یکی برای شناسایی یکی از SNPها طراحی شده است در حالی که رشته‌ی دیگر به نحوی دستکاری شده که ۴ باز نوکلئوتیدی گوانین آن با اینوزین که ساختاری بلوری دارد، جایگزین شده است تا پیوند آن با رشته‌ی نخست تضعیف شود. در هنگام آزمون شناسایی با ورود SNPها بر روی این ترانزیستور ساخته شده از گرافن و دی‌ان‌ای، رشته‌های دستکاری شده‌ای دی‌ان‌ای قرار گرفته بر روی ترانزیستور جای خود را به این رشته‌های SNP می‌دهند و این جا به جایی به وسیله‌ی ترانزیستور گرافنی به عنوان یک سیگنال الکتریکی خوانده می‌شود.

در حال حاضر این حسگر به عنوان یک طرح مفهومی است ولی پژوهشگران باور دارند که این تنها آغاز راه است و حسگر آن‌ها می‌تواند به ساخت حسگرهای همراهی بیانجامد که در بدن نصب شده و به شناسایی و انتقال اطلاعات دائمی و پیوسته به ابزارهای هوشمند همچون تلفن هوشمند شخص بپردازند.

نقطه‌ی بارز این پژوهش نیز در این است که نشان داده شده که می‌توان از تعویض رشته‌ی دی‌ان‌ای بر روی یک ترانزیستور به عنوان نشانگری برای شناسایی رشته‌های دی‌ان‌ای معیوب بهره برد. مزیت و پیشرفت بسیار مهمی که این حسگرها نسبت به حسگرهای تک رشته‌ای به دست می‌دهند در آن است که حسگرهای دورشته‌ای (دو رشته‌ی دی‌ان‌ای) به کار رفته در این حسگر برخلاف حسگرهای تک رشته‌ای از انتخابگری بسیار مناسبی برخورداند در نتیجه خطای کمتری نسبت به حسگرهای پیشین نشان خواهند داد. برای مثال در حسگرهایی که تنها از یک رشته‌ی دی‌ان‌ای استفاده می‌کردند احتمال اینکه رشته‌ی دی‌ان‌ای با تطبیق نسبی منجر به ایجاد پاسخ اشتباه شود بسیار بالاست در حالی که در حسگر حاضر این احتمال بسیار کاهش یافته است. همچنین طول رشته‌ی دی‌ان‌ای قرار گرفته بر روی ترانزیستور نیز افزایش پیدا کرده است که این حساسیت حسگر را به شدت افزایش می‌دهد. به بیان دیگر با بهره گیری از ۴۷ باز نوکلئوتیدی در رشته‌ی دی‌ان‌ای، این حسگر طولانی‌ترین رشته‌ی دی‌ان‌ای جهت شناسایی را در اختیار دارد. این طول رشته از آن جهت اهمیت دارد که با افزایش آن احتمال پاسخ‌های اشتباه در حسگر کاهش پیدا می‌کند چراکه طول کمتر به معنای تعداد گزینه‌های تطبیقی بیشتر و احتمال خطای بیشتر است. با افزایش طول، تعداد رشته‌های دی‌ان‌ای که قابلیت اتصال به رشته‌ی دی‌ان‌ای حسگر را دارند کاهش پیدا می‌کند، در نتیجه حسگر تنها نسبت به رشته‌های هدف پاسخگو خواهد بود. پاسخ‌های قابل اتکایی که به وسیله‌ی این روش به دست می‌آید به ویژه در راه تجاری سازی این دست حسگرها از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است چرا که اشتباه‌های احتمالی به معنای صرف وقت و هزینه‌ی بیشتر برای افراد سالم در قیاس با افراد نیازمند خواهد بود.

این پژوهشگران هم اکنون در حال صنعتی‌سازی این فناوری در جهت توسعه‌ی آن به سمت ابزاری تجاری با قابلیت‌های کارکرد بیسیم و تولید انبوه هستند. به اعتقاد آن‌ها این فناوری می‌تواند بسیاری از بیماری‌های خطرناک از جمله سرطان را در مراحل اولیه شناسایی کرده و جان بیماران را نجات دهد.

جزییات این پژوهش در نشریه‌ی علمی Proceedings of the National Academy of Sciences به چاپ رسیده است.