Вместо ПЦР: в ИТМО изобрели машину для детекции нуклеиновых кислот

ПЦР — один из самых чувствительных методов диагностики. Но выполнять его можно только в лабораторных условиях на дорогостоящем оборудовании. Биохимики из ИТМО разработали ДНК-машину, которую можно использовать как альтернативу ПЦР, причем не только в лабораторных условиях, но и — в перспективе — дома. «Фонтанка» рассказывает, как она работает и когда можно ждать вхождения нанотехнологий в обиход. Спойлер: с помощью изобретения отечественных ученых можно будет делать качественную диагностику вирусной и бактериальной инфекции буквально «на коленке» — и недорого.

Раствор меняет цвет

В Университете ИТМО создали уникальную технологию, которая может быстро и точно определить наличие вредоносных вирусов и бактерий в биоматериале — например, в слюне или спинномозговой жидкости. Ученые уже провели ряд успешных экспериментов и сумели распознать цитомегаловирус (разновидность герпеса), гемофильную палочку, которая вызывает поражение органов дыхания, и листерию моноцитогенес — причину острых пищевых отравлений. При обнаружении патогена раствор из прозрачного становился коричневым. Авторы изобретения рассказали, что ДНК-машину — так в рабочем порядке называют нанотехнологию — уже проверили не только на синтетических, но и на биологических образцах.

Она представляет собой небольшую (на 25 нуклеотидов — блоков, из которых состоит ДНК-молекула) платформу. К ней присоединены специальные участки, которые ученые называют «руками». В природе нуклеиновая кислота свернута и редко гибридизуется (вступает во взаимодействия с другими нуклеиновыми кислотами). Разворачивается она только при высоких температурах, которых можно достичь лишь в лабораторных условиях. «Руки» же обладают способностью разворачивать нуклеиновые кислоты при комнатной температуре.

«Так происходит благодаря свойствам комплементарности: способности нуклеиновых кислот «притягиваться» друг к другу и создавать пары аденин-тимин, цитозин-гуанин, — объясняет сотрудница Международного научного центра SCAMT Университета ИТМО, первый автор исследования Дарья Горбенко. — Мы помещаем в пробирку ДНК-машину (платформу и аналит-связывающие руки), которая спроектирована так, чтобы отреагировать на определенный аналит — искомое вещество, которое мы хотим обнаружить. Затем добавляем это самое вещество и фиксируем результат».

Проще говоря, действует ДНК-машина так. В пробирку с сенсором нужно добавить биоматериал пациента — например, мазок из носоглотки. Если в нем есть, допустим, ДНК коронавируса, «руки» его обнаружат. Спустя примерно 10 минут раствор изменит цвет.

«При проведении ПЦР-теста сигнал можно снимать только флуоресцентный, то есть с помощью высокочувствительных приборов — например, спектрофотометров. А здесь изменение цвета видно сразу, без специального оборудования», — объясняет автор исследования.

Конечно, для каждого патогена нужна своя ДНК-машина, чтобы исключить ошибочную реакцию. Но в ИТМО отмечают, что создать платформу для каждого аналита достаточно только один раз.

Анализ не дороже доллара

Над разработкой нанотехнологии трудится целая команда в 8 человек. Начали в 2007 году под руководством кандидата химических наук, профессора, исследователя химико-биологического кластера Дмитрия Колпащикова. Основные разработки создал он, но со временем идея усовершенствовалась.

«Мы изначально интересовались вопросами диагностики различных заболеваний, — рассказывает Дарья о рождении идеи, — ведь до сих пор качественных систем для определения бактериальной или вирусной инфекции в домашних условиях не существует. В аптеках продают антиген-тесты, которые реагируют на белковые фракции (антитела), а не на нуклеиновые кислоты. А последние в этом вопросе гораздо точнее, потому что позволяют выявлять заболевания даже на ранних стадиях, когда еще симптомов нет».

Кроме того, важен и вопрос стоимости. ПЦР-тесты — дорогие. Работа ДНК-машины, разработанной в ИТМО, значительно дешевле. По оценкам команды, цена анализа не должна превышать нескольких долларов, потому что используются недорогие реагенты и цепочки нуклеиновых кислот, которые можно заказать в любой лаборатории синтеза.

«Мы надеемся, что это в конечном итоге будет дешевле, чем проводить ПЦР-тестирование», — делится автор проекта.

Случайное открытие

Но главное открытие ДНК-машины биохимикам еще предстоит осмыслить и понять. Нуклеиновые кислоты бывают одноцепочечные и двуцепочечные. Первые развернуть проще, вторые же ранее обрабатывали исключительно высокими температурами (так называемым «отжигом»). А ученые ИТМО в процессе экспериментов обнаружили, что «руки» их изобретения иногда разворачивают и двуцепочечные нуклеиновые кислоты.

«Насколько мне известно, такой результат раньше не достигался в мире. Почему так происходит, мы пока не знаем. Для нас это стало сюрпризом», — говорит Горбенко.

Дорабатывать ДНК-машину предстоит, по прогнозам ученых ИТМО, еще несколько лет. Но перспективы ее применения впечатляющие. Позже, когда работа будет полностью закончена, ученые рассчитывают, что возможно будет создать компактную и доставляемую систему детекции.

На практике изобретение можно будет применять для проведения анализа в домашних условиях или же в амбулаториях малообеспеченных регионов, где нет возможности открыть лабораторию с дорогостоящим оборудованием.

«Это быстрая процедура. Сейчас проведение анализа занимает примерно полтора часа. Но мы уже видим моменты, которые можно оптимизировать, чтобы ускорить процесс. По сути, мы надеемся, что пациент, не выходя от врача, за 40 минут сможет получить результат уровня достоверности, сравнимого с ПЦР», — комментирует Дарья.