トリヌクレオチドリピートの超高感度検出のための新しい溶液ゲーテッドグラフェントランジスタバイオセンサ

A novel solution-gated graphene transistor biosensor for ultrasensitive detection of trinucleotide repeats.

• Zhiqi Ge
• Mingyu Ma
• Gang Chang
• Meijun Chen
• Hanping He
• Xiuhua Zhang
• Shengfu Wang

抄録

高性能な溶液ゲート型グラフェントランジスタ（SGGT）を用いて、GAAトリヌクレオチドリピート（TNR）を検出する新しい方法を開発した。フリードライヒ失調症（FRDA）は、フラタキシン（FXN）遺伝子の最初のイントロンが拡張したGAAリピート領域を示す神経変性疾患である。本研究では、G-四重鎖DNA酵素とグラフェンチャネルを用いてSGGTバイオセンサーを構築した。このDNA酵素は、ペルオキシダーゼ様活性に応じて強い触媒電流を発生させ、捕捉された標的DNAを定量する。ゲート電極上に捕捉された標的DNA量が多いほど、ゲート電極表面のDNA酵素濃度が高くなり、高い触媒電流が発生する。トランジスタの優れた自己増幅性能により、SGGTの電流信号は、同一の検出条件で従来の電気化学の場合と比較して数百倍の大きさになります。また、低濃度のHOの場合には、酵素触媒を用いたトランジスタと比較して大きな電流信号が得られます。また、SGGTバイオセンサーは、超低検出限界（32.25 fM）、広いリニアレンジ（100 fM-100 nM）、優れた選択性を示しました。これらの結果から、SGGTバイオセンサは神経変性疾患の早期診断に大きな可能性を秘めていることがわかりました。

A new way to detect GAA trinucleotide repeats (TNRs) based on a solution-gated graphene transistor (SGGT) with high performance was developed. Friedreich's ataxia (FRDA) is a neurodegenerative disease where the first intron of the frataxin (FXN) gene exhibits an extended GAA repeat region. Herein, a SGGT biosensor was constructed based on G-quadruplex DNAzymes and graphene channels. The DNAzymes quantify the captured target DNA by producing a strong catalytic current signal depending on the peroxidase-like activity. The higher the target DNA quantity captured on the gate electrode is, the higher is the concentration of DNAzymes on the surface of the gate electrode, which generates a high catalytic current. Due to the excellent self-amplifying performance of the transistor, the current signal of the SGGT is several hundreds of times larger than in conventional electrochemistry under identical detection conditions. Moreover, a large current signal can be obtained in the case of a low concentration of HO when compared to the case of an enzyme-catalyzed transistor. The SGGT biosensor also exhibits an ultra-low detection limit (32.25 fM), a wide linear range (100 fM-100 nM), and excellent selectivity. The results show that the SGGT biosensor has great potential in the early diagnosis of neurodegenerative diseases.