無需 PCR 也行的新型基因檢測技術:CRISPR 晶片

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CRISPR-Cas9 系統除了基因編輯,還有基因標靶的能力。近日,刊登於《Nature Biomedical Engineering》的一篇研究提及,將 CRISPR 與石墨烯製成的電子晶體管結合,製成一種新型手持式基因檢測工具 CRISPR 晶片(CRISPR-Chip),它能夠在幾分鐘內檢測到特定的基因突變,未來可望應用於快速診斷遺傳疾病及評估基因編輯的精準性。

為了利用 CRISPR 的基因標靶能力,該研究團隊使用失活的 Cas9 蛋白,它能找到 DNA 的特定位置但不會切割它的,並將其連接到由石墨烯製成的晶體管上。當 CRISPR 複合物在其標靶的 DNA 上找到斑點時,它與其結合併觸發石墨烯的電導率的變化,進而反過來改變晶體管的電特性。

與眾不同的是,該研究的 CRISPR 技術開發是利用奈米電子技術檢測 DNA 樣本基因突變,直接省去 PCR 流程( PCR-free / Amplification-free ),不再侷限於實驗室,同樣可在其他環境下直接進行檢測。例如,它能在醫生辦公室或野外工作環境中進行基因檢測,而無需將樣品送到實驗室。美國克萊蒙特麥金納學院(Claremont McKenna College)凱克研究所(KGI)的助理教授 Kiana Aran 談到,石墨烯電晶體具有極高的靈敏度,與 CRISPR 技術合而為一,將純化過的 DNA 樣本放在晶片上,幾分鐘便可得知檢測結果。

自基因檢測蓬勃發展,成為臨床醫師及遺傳學專家尋找致病基因突變的利器。該研究團隊也透過杜氏肌肉萎縮症(Duchenne Muscular Dystrophy,DMD)突變基因位點進行檢測證實其功效。

以 DMD 兩種常見突變基因的檢體樣本進行 CRISPR-Chip 檢測,在 15 分鐘內晶片輸出資訊的靈敏度為 1.7 fM ,其輸出信號相較於沒有基因標靶(gene targeting)序列的樣本來的高。由於 DMD 是大量的肌肉營養不良蛋白基因突變引起,使用 CRISPR-Chip 可以節省 PCR 成本及上機時間,更能協助醫師為患者規劃個人化治療和預防治療,如,個體抗藥性基因篩檢、遺傳篩檢。另外,該技術也可監測 CRISPR 與特定 DNA 序列結合與否,或是引導 RNA(guide RNA,gRNA)設計的正確性。

該研究的共同作者加利福尼亞大學柏克萊分校(The University of California, Berkeley)生物工程學教授 Niren Murthy 表示,只需要從患者身上抽取檢體, DNA 樣本純化後與 CRISPR-Chip 結合隨即檢測 DNA 序列,是該技術最重要的優勢,這將引領床邊檢測(bedside assay)趨勢。

最後,他們希望持續優化並推出更多樣化的 CRISPR-Chip 技術應用,未來設計出一次多種的引導 RNA(gRNA)進行檢測,達到短時間偵測多個基因突變的目標。

延伸閱讀:呼風喚雨的「CRISPR / Cas9」系統

參考資料:
1.https://news.berkeley.edu/2019/03/25/new-crispr-powered-device-detects-genetic-mutations-in-minutes/
2.https://www.nature.com/articles/s41551-019-0371-x

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