Ekstra Hassas Kanser Dedektörü: Buruşuk Grafen

Grafen bazlı biyosensörler, bir hastanın kanında veya serumunda dolaşan DNA kanseri belirteçlerini tespit ederek sıvı biyopsisi çağına girebilir. Ancak mevcut tasarımların çok fazla DNA’ya ihtiyacı var. Araştırma ağırlıklı bir devlet üniversitesi olan Urbana-Champaign Illinois Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, yaptıkları yeni bir çalışmada, buruşuk grafen üzerinde elektriksel sıcak noktalar yaratarak DNA’ya on binden fazla kez daha duyarlı hale getirmektedir. Buruşuk grafenlerin hızlı tanı yapılmak adına çok çeşitli biyolojik sensör uygulamalarında kullanılabileceği ön görülmektedir.

Biyomühendislik profesörü ve aynı zamanda Illinois’deki Grainger Mühendislik Kolejinin Dekanı olan çalışma lideri Rashid Bashir, bu sensörün, erken tanı için önemli olan hastalığın belirteçleri olan ultra düşük molekül konsantrasyonlarını tespit edebileceğini bildirmiştir. Bashir sensörün çok hassas, düşük maliyetli, kullanımı kolay olduğunun altını çizerek, grafen malzemesine yeni bir kullanım alanı daha geldiğini belirtmiştir.

DNA veya RNA gibi nükleik asitlerde sahte kanser izlerini arama fikri yeni olmasa da, bu sensör bir hastanın serumunda bulunabileceği gibi çok küçük kanser izlerini de tespit eden ilk elektronik sensördür. Kanser olduğunda, bazı diziler gereğinden fazla üretilmeye başlar. Araştırmacılar bunu tespit edebilmek için çok fazla zaman alan ve maliyetli olan DNA’yı sıralama işlemi yerine, DNA ve RNA’da ki tümörlerden kana salgılanan kanser belirteçlerini tespit edebileceklerini belirtmişlerdir.

Grafen bir atom kalınlığında düz bir karbon tabakası olan, elektronik sensörler için popüler, düşük maliyetli bir malzemedir. Bununla birlikte, şimdiye kadar geliştirilen nükleik asit sensörleri, amplifikasyon adı verilen bir işlemi gerektirir. Amplifikasyon bir DNA veya RNA parçasını izole etmek ve bir test tüpünde birçok kez kopyalamak işlemidir. Bu işlem uzundur ve hatalar getirebilir. Bundan dolayı araştırma grubu, grafenin algılama gücünü geliştirmek için çalışmalar yapmaktadır.

10 Kat Duyarlı Buruşuk Grafen

Grafenin elektronik özelliklerini artırmaya yönelik diğer birçok yaklaşım, özenle hazırlanmış nano ölçekli yapıları içermiştir. Araştırma ekibi özel yapıları imal etmek yerine, basitçe ince bir plastik levha uzattı ve üstüne grafen yerleştirdi. Daha sonra plastikteki gerginliği serbest bıraktı, grafenin sıkışmasına ve buruşuk bir yüzey oluşturmasına neden oldu. Buruşuk grafenin hem bir tampon çözeltide hem de seyreltilmemiş insan serumunda DNA’yı ve kansere bağlı bir mikro RNA’yı algılama yeteneğini test ettiler. Sonuçların düz bir grafene göre 10 kat daha duyarlı olduğunu keşfettiler.

Bu, bir biyomolekülün elektriksel tespiti için şimdiye kadar bildirilen en yüksek hassasiyettir. Daha önce, bir sinyal tespit edebilmek için bir numunede on binlerce moleküle ihtiyaç duyulurdu. Ancak araştırmacılar bu cihazla, sadece birkaç molekül ile bir sinyal tespit edebilmektedir. Algılama gücündeki bu artışın nedenini belirlemek, buruşuk grafenin elektriksel özelliklerini ve DNA’nın sensörün yüzeyi ile fiziksel olarak nasıl etkileştiğini incelemek için ayrıntılı bilgisayar simülasyonları kullanıldı. Boşlukların, DNA ve RNA moleküllerini çekmek ve tutmak için bir tuzak olarak hareket eden elektriksel sıcak noktalar olarak hizmet ettiği bulundu.

Araştırma yazarlarından Mohammad Heiranian, buruşuk grafenin üzerinde boşluklar olduğu için o bölgelere daha çok molekülün girdiğini ve çok molekülün girmiş olmasından dolayı tespit edebildiklerini bildirmiştir. Ancak düz bir yüzey üzerinde, çözelti içindeki diğer iyonlar DNA’dan daha fazla yüzey gibidir. Bu nedenle DNA grafen ile fazla etkileşime girmediğini ve düz yüzeyde bunun tespiti daha zor olduğunu belirtmiştir. Buna ek olarak grafenin buruşması, malzemenin elektriksel özelliklerini değiştiren, elektronların malzeme boyunca akması için üstesinden gelmesi gereken bir enerji bariyeri oluşturdu. Bu da DNA ve RNA molekülleri üzerindeki elektrik yüklerini daha duyarlı hale getiren bir gerginlik yarattı.

Buruşuk grafenin biyolojik moleküller için duyarlılığının ilk denemelerinde DNA kullanılmış olsa da, yeni sensör çok çeşitli hedef biyolojik izleri tespit etmek için kullanılabilir. Araştırma grubu, proteinler ve küçük moleküller üzerinde de buruşuk grafen ile testler yapmaktadır.

Kaynak

https://phys.org/news/2020-03-crumpled-graphene-ultra-sensitive-cancer-dna.html