钻探人口还要开销了前卫微米金颗粒营造确诊基因突变的生物晶片,形成微液滴

韩国《亚洲经济》网站发布消息称,日前,韩国一项研究成果实现了十几分钟内完成基因检测。研究使用纳米尺度金颗粒制作的生物芯片识别癌细胞DNA特征,能够迅速完成对特定癌症标志物的检测而无需测序,可以识别单点基因突变。该研究成果发表在国际学术杂志《自然·通讯》上。

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钻探人口还要开销了前卫微米金颗粒营造确诊基因突变的生物晶片,形成微液滴。钻探人口还要开销了前卫微米金颗粒营造确诊基因突变的生物晶片,形成微液滴。一颗芝麻粒大的谐振器能把液体缩小到“一滴水的十亿分之一”、一把“声波镊子”能精准操控细胞和微纳米颗粒、一种新技术能够“吸引”分子聚集,提升癌症抗原浓度十万倍……近日,天津大学微机电系统国家在胡小唐教授、庞慰教授、段学欣教授指导下,围绕“高频超声波器件”研究连续取得重大突破。国家三项科技成果达到世界领先水平,被国际一流期刊选为封面文章重点推介,有望造福人类健康,得到学界广泛关注和认可。

钻探人口还要开销了前卫微米金颗粒营造确诊基因突变的生物晶片,形成微液滴。这项工作由在高丽大学任职的中国学者马兴毅教授设计开展,韩、美联合国家共同完成。研究人员表示,这项成果能够实时和低成本诊断,有望应用于癌症早期筛查领域,具有重要的临床医学意义。研究人员同时开发了新型纳米金颗粒构建诊断基因突变的生物芯片。芯片的传感部分集成在尺寸为30纳米左右的金颗粒上,金颗粒上带有特别制备的长度约2纳米的新型桥梁结构。这种生物芯片的独特显微结构能够对结合在芯片表面的遗传物质作出非常灵敏的反应,从而可以识别基因序列中单个位点变异造成的光谱变化。最高分辨率达到5个基因片段。

研究制备出带有2纳米桥梁结构的新型金结构

生物芯片黑科技,高效低成本制造“微液滴”

钻探人口还要开销了前卫微米金颗粒营造确诊基因突变的生物晶片,形成微液滴。钻探人口还要开销了前卫微米金颗粒营造确诊基因突变的生物晶片,形成微液滴。研究国家表示,目前已设计并制作成功8款基因芯片,用于诊断与乳腺癌相关的、最多发和致病率最高的8类基因突变。这些芯片的功能已通过乳腺癌和卵巢癌细胞进行验证。本次研究还首次完成了基因突变分析数据图集的绘制,将检测结果同图集比对即可获知突变类型。

钻探人口还要开销了前卫微米金颗粒营造确诊基因突变的生物晶片,形成微液滴。近日,韩国高丽大学融合化工系统研究所研究教授马兴毅及其合作者再次在《自然通讯》上发表了一项突破性成果,实现了对纳米尺度内的金粒的精细设计,制备出带有2纳米桥梁结构的新型金结构。该粒子可与光子相互作用,极为灵敏地对结合在粒子表面的物质做出光学信号响应,最低可识别分析5个基因片段,灵敏度和可靠性达到世界领先水平。

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钻探人口还要开销了前卫微米金颗粒营造确诊基因突变的生物晶片,形成微液滴。钻探人口还要开销了前卫微米金颗粒营造确诊基因突变的生物晶片,形成微液滴。钻探人口还要开销了前卫微米金颗粒营造确诊基因突变的生物晶片,形成微液滴。钻探人口还要开销了前卫微米金颗粒营造确诊基因突变的生物晶片,形成微液滴。钻探人口还要开销了前卫微米金颗粒营造确诊基因突变的生物晶片,形成微液滴。马兴毅国家主要在纳米医学传感和细胞生物工程领域开展产业化研究

生物芯片被预言为“21世纪产值最大的高技术产业”,其原理是在一块极小材料上放置生物样品,由计算机分析数据结果。生物芯片可对基因、配体、抗原等活性物质快速测试分析,将为生命科学、个性化医疗、化学、军事等领域带来重大影响,拥有巨大商业潜力。

在生命体中,DNA指导合成蛋白质。马兴毅提出,可将DNA分子作为骨架,指导金纳米颗粒的合成,相关成果在2016年发表于《自然通讯》。国家设计DNA分子的结构,进而实现对金纳米结构的调控,控制精度在5纳米以下,整个合成过程在水溶液中进行,所合成的颗粒可直接用于生物医学工程,为世界首创。记者了解到,在最新的研究中,国家将DNA组装在两个金纳米种子之间,控制合成出中间有桥梁或者缝隙的新型金纳米颗粒,而桥梁长度只有2纳米。相较于纳米球、纳米棒等,纳米桥颗粒体现出最高的检测灵敏度,实现了对基因中一个位点的突变的检测识别。

制造生物芯片,需要将蛋白质或DNA等活性物质形成“微液滴”放置在极小的区域上。液滴在生活中随处可见,而制造生物芯片所要求的“微液滴”尺寸极小,甚至与人类细胞相当。传统的微液滴制造方法成本高、兼容性差,如何快速高效地制造“微液滴”,是全球科学家长期以来攻坚的难点。

金纳米颗粒的设计性合成 (来源:Nat Comm, 7, 12873)

天津大学微机电系统团队成功研发“高频超声波制备微液滴”技术,使用一枚不及芝麻粒大的“高频超声波谐振器”作用于液体表面,形成稳定的“液体尖峰”。当尖峰顶部接触到平面基底,微量的液体就会被吸附到基底表面,形成微液滴。这种新技术不仅降低了成本,还避免了现有技术针尖易磨损、喷嘴易堵塞等问题。相关研究成果已作为封面文章发表于工程技术领域顶级期刊《芯片实验室》。

基因突变导致很多疾病。基因庞大,再加上DNA在结构上具有很强的适应性,某个位点的突变很难被发现。2015年诺贝尔化学奖授予了成功发现细胞修复DNA机制的三位科学家,在该机制中,细胞启用一种蛋白分子MutS扫描DNA。MutS形如一双祈祷的手,在DNA上滑动,其特定的氨基酸可与突变位点的碱基形成氢键,致使双手合拢,握住带有突变的DNA。之后,MutS启动其它蛋白分子对突变区域进行修复。受此启发,该国家将MutS作为识别工具,将纳米桥颗粒作为传感材料,并将整个传感尺度缩小到近30纳米。对于该传感尺度,生物分子不再微不足道,每个分子在颗粒上的结合都会显著的影响传感信号;甚至,分子间的结合力、分子间距等极微观的信息也可实时读取。从而,国家分析MutS与不同突变位点的结合常数,将常数标准化,汇总得出一份可以表征基因突变类型的数据图集,可诊断被测样品中的基因突变。

“细胞级”的微操大师,“声流体镊”突破极限

基因单点突变的识别和检测数据图集 (来源:Nat Comm, 10, 836)

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记者了解到,本成果已针对与乳腺癌最为相关、在世界范围内最为普遍、风险最高的8种基因突变,设计构建了8款单颗粒传感芯片。将被检测样品注入芯片,传感系统可实时读取分析结果,并判断出突变类型,例如合作者提供了2株未知的癌细胞,分别命名为HCC1937和SNU251。将样品注入传感系统并进行检测,分别得出两个结合常数。将数值放入标准化图集,发现坐标位点分别与+C和A-C契合,因此推断两个细胞株的相应基因分别含有单个胞嘧啶嵌入型突变、鸟嘌呤被腺嘌呤替代型突变。将细胞的基因转交给基因测序公司,发现基因中存在的单点突变类型与传感结果一致,表明该传感系统具有可靠性,在医学诊断等应用领域大有可期。

“声镊”顾名思义,是一种“以声波能量为镊”的操作系统,可以对细胞或微小颗粒进行操控。由于其低能耗、小型化等优势,声镊正成为手术医疗、生物制药等领域的“利器”。目前,如何精准控制微纳米尺度的物体成为了声镊技术亟待突破的瓶颈。

本研究由马教授设计开展,来自韩国高丽大学、首尔大学和美国科罗拉多大学波德分校的科学家共同参与完成。马教授表示,以应用和性能为导向,学者们设计出各种新型的纳米结构;然而最关键的,是将设计变为现实。如果对先进材料实现求仁得仁,现代科技必将再度深刻变革。

天津大学微机电系统国家将高频超声波器件与微流控芯片结合,掌握了全新的粒子操纵技术——“声流体镊”。与传统声镊相比,“声流体镊”体积更小,操控更为精细精准,不仅可以操控细胞,甚至能够分选移动、精确控制、裂解细胞,为生物医学研究、疾病早期诊断等领域提供了更有效、更精确、生物兼容性更好的工具。相关研究成果已作为封面文章发表于工程领域世界一流期刊《粒子及粒子系统表征》。

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“精准操纵、聚集捕获”,癌症检测迎来“革命性突破”

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现代临床医学发展对分子检测技术提出了越来越高的要求。以癌症早期检测为例,该检测主要以癌症抗原为对象,癌症抗原是能引起免疫反应的大分子,而诸如前列腺癌等多种癌症的抗原分子浓度极低,用传统方法很难检测到,这成为了人类战胜癌症的“新难题”。

天津大学微机电系统国家利用高频超声波微纳机电谐振器,在液体中产生“三维声流场”和“虚拟微口袋效应”,可以在生理条件下高效地捕获和聚集生物分子,将分子局部浓度提高十万倍,实现了在极低浓度下的高灵敏检测。该技术具有良好的生物兼容性,易于与现有的生物传感器集成使用,为基础研究、疾病诊断、药物开发等领域的低浓度检测提供了全新的分析手段和思路,有望成为癌症早期检测等领域的“革命性突破”。相关研究成果已作为封面文章发表于化学领域世界顶级期刊《美国化学学会中心科学》,国家关于声流体操纵的理论研究则发表在物理领域世界顶级期刊《物理应用综述》。

天津大学微机电系统国家由胡小唐教授领导,是一支以中青年科研人员为骨干的创新型研究国家,致力于研发MEMS传感器和纳米传感器、微执行器、通讯芯片等核心元器件及系统,其研究成果广泛应用于生命科学、环境、能源、信息工程、航空航天、物联网、可穿戴设备等领域。

(编辑 焦德芳 盛方圆)

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