安妮·特拉夫顿 | 麻省理工学院新闻涂有 DNA 的电极可以进行价格低廉且保质期长的测试，可以检测出多种疾病，并且可以在医生办公室或家中使用。
一枚一角硬币旁边有一个微小的金电极。

Ariel Furst 实验室开发的电化学传感器由粘附在廉价金箔电极上的 DNA 组成，该电极被层压在一张塑料片上。

图片来源：研究人员提供；麻省理工学院新闻编辑

麻省理工学院的研究人员利用一种涂有 DNA 的廉价电极，设计出了一次性诊断装置，可用于检测多种疾病，包括癌症或流感和艾滋病毒等传染病。

这些电化学传感器利用了 CRISPR 基因编辑系统中的一种 DNA 切割酶。当该酶检测到诸如癌基因之类的目标时，它会开始非特异性地从电极上剪切 DNA，就像割草机割草一样，从而改变产生的电信号。

这种传感技术的主要局限性之一是覆盖电极的DNA会迅速分解，因此传感器无法长期保存，而且其存储条件必须严格控制，从而限制了它们的使用范围。在一项新的研究中，麻省理工学院的研究人员用聚合物涂层稳定了DNA，使传感器即使在高温下也能保存长达两个月。储存后，这些传感器能够检测到一种常用于诊断前列腺癌的基因。

麻省理工学院化学工程系 Paul M. Cook 职业发展助理教授、该研究的资深作者 Ariel Furst 表示，这种基于 DNA 的传感器制造成本仅为 50 美分左右，可以为资源匮乏地区的许多疾病提供一种更便宜的诊断方法。

“我们专注于许多人难以获得的诊断方法，我们的目标是创造一种即时可用传感器。人们甚至不需要去诊所就可以使用它。你可以在家里使用，”Furst 说。

麻省理工学院研究生周兴成是该论文的主要作者，该论文于6月30日发表在《ACS Sensors》杂志上。论文的其他作者包括麻省理工学院本科生杰西卡·斯劳特（Jessica Slaughter）、2024届毕业生斯玛·里基（Smah Riki）和研究生郭超池（Chao Chi Kuo）。

廉价的传感器

电化学传感器的工作原理是测量目标分子与酶相互作用时电流的变化。这与血糖仪检测血液样本中葡萄糖浓度的技术相同。

Furst 实验室开发的电化学传感器由粘附在廉价金箔电极上的 DNA 组成，金箔电极被层压在一层塑料片上。DNA 通过一种名为硫醇的含硫分子附着在电极上。

在2021年的一项研究中，Furst实验室展示了他们可以利用这些传感器检测HIV和人乳头瘤病毒（HPV）的遗传物质。这些传感器利用引导RNA链检测目标，该RNA链可以设计成与几乎任何DNA或RNA序列结合。引导RNA与一种名为Cas12的酶连接，Cas12在开启时会非特异性地切割DNA，并且与用于CRISPR基因组编辑的Cas9酶属于同一蛋白质家族。

如果靶标存在，它会与向导RNA结合并激活Cas12，Cas12随后会切割粘附在电极上的DNA。这会改变电极产生的电流，该电流可以用恒电位仪测量（该技术与手持式血糖仪相同）。

Furst 说：“如果 Cas12 处于开启状态，它就像一台割草机，会切断电极上的所有 DNA，从而关闭信号。”

在该设备的早期版本中，由于DNA无法长时间保持稳定，因此必须在电极使用前将其添加到电极中。在这项新研究中，研究人员发现，可以通过在DNA表面涂覆一种名为聚乙烯醇（PVA）的聚合物来提高其稳定性。

这种聚合物每层涂层的成本不到1美分，它就像一块防水布，保护着下面的DNA。一旦沉积到电极上，聚合物就会干燥，形成一层保护性薄膜。

“一旦干燥，它似乎就会形成一道非常强大的屏障，抵御可能损害 DNA 的主要物质，例如活性氧物质，这些物质要么会损害 DNA 本身，要么会破坏 DNA 与金的硫醇键，并将 DNA 从电极上剥离，”Furst 说。

成功检测

研究人员证明，这种涂层可以保护传感器上的DNA至少两个月，并且能够承受高达约150华氏度（约74摄氏度）的高温。两个月后，他们冲洗掉涂层上的聚合物，并证明传感器仍然可以检测到尿液中发现的前列腺癌基因PCA3。

这种检测方法可以用于多种样本，包括尿液、唾液或鼻拭子。研究人员希望利用这种方法开发更便宜的HPV或HIV等传染病诊断方法，可以在诊所或家中使用。研究人员表示，这种方法还可以用于开发针对新兴传染病的检测方法。

Furst 实验室的一组研究人员最近被麻省理工学院的学生创业加速器Delta V录取 ，他们希望在那里创办一家初创公司，进一步开发这项技术。现在，研究人员能够研制出保质期更长的检测试剂，他们希望开始将这些试剂运送到可以用于患者样本检测的地方。

“我们的目标是继续在现实环境中使用患者样本进行针对不同疾病的测试，”Furst 说道。“我们之前的局限性在于必须在现场制造传感器，但现在我们可以保护它们，并且可以运输。我们不需要使用冷藏设备。这使我们能够在更加恶劣或非理想的环境中进行测试。”

该研究的部分资金由麻省理工学院研究支持委员会和 MathWorks 奖学金资助。