В четыре «руки»: ДНК-роботы обнаружат вирусы быстрее ПЦР-тестов
Ученые Университета ИТМО в Санкт-Петербурге создали высокочувствительного наноробота из молекул ДНК для обнаружения возбудителей болезней. Его эффективность проверена на COVID-19, но в перспективе такие молекулярные машины могут быть адаптированы для выявления и других вирусов. В отличие от ПЦР предложенный метод не требует использования дорогих реагентов, сложного оборудования и обученного персонала, при этом он не уступает ей в точности. Эксперты утверждают, что разработка может быть полезна в клинической практике, однако подчеркивают, что и ПЦР остается эффективной методикой обнаружения инфекций.
Невидимые глазу
ПЦР — один из самых чувствительных методов молекулярной диагностики инфекционных заболеваний, но у него есть ограничения. Например, анализ образцов можно проводить только в лабораторных условиях, применяя дорогостоящее оборудование. Аптечные экспресс-тесты любой человек, напротив, может самостоятельно использовать даже дома, вот только чувствительность этого метода очень низка. Например, он может показать ложноотрицательный результат при небольшой вирусной нагрузке (количество вируса в организме. — «Известия»).
Ученые химико-биологического кластера ИТМО поставили себе цель создать систему для обнаружения инфекций, которая будет проста в использовании, как аптечные экспресс-тесты, но при этом близка по точности к ПЦР. Так им удалось разработать наноробота из молекул ДНК, способного быстро определять наличие вируса в образцах, например, взятых со стенок носа.
В составе робота, который не виден человеческому глазу, 215 нуклеотидов (элементарные структурные единицы ДНК и РНК. — «Известия»). Также к нему подсоединены четыре специальных «рычага» — ученые называют их руками. Чтобы проанализировать образец на наличие инфекции, нужно добавить в него раствор с этой ДНК-системой и специальное вещество, способное светиться, — флуоресцентный субстрат, — которое позволит визуализировать результат.
Как утверждают разработчики, робот сможет обнаружить вирус, даже если тот будет присутствовать в образцах в малом количестве.
— РНК имеет сложную свернутую структуру, которую трудно раскрутить только с помощью двух «рук». Четыре же «руки», как показали наши эксперименты с выявлением рибонуклеиновых кислот COVID-19, справляются с этой задачей гораздо точнее и быстрее. При этом метод работает при комнатной температуре, без использования дорогих реагентов и оборудования и специально обученного персонала, — объяснил «Известиям» первый автор исследования, аспирант химико-биологического кластера ИТМО Ахмед Эльдиб.
Молекулярные машины
Алгоритм поимки вирусной РНК следующий. ДНК-робот приближается к искомой нуклеиновой кислоте, разворачивает ее своими «руками» и прикрепляется к ней. Эти процессы активируют расщепление субстрата, завершение которого можно отследить с помощью спектрометра по появлению флуоресцентного сигнала — холодному световому излучению. Соответственно, если образец будет без РНК вируса, реакции и сигнала не будет.
Современные химические сенсоры (хемосенсоры) получили бурное развитие за последние годы. Начиная с определения простых аналитов (то, что нужно определить) малыми молекулами и заканчивая тем, что разработали ученые ИТМО, — применением молекулярных машин для определения сложных инфекционных агентов, в частности SARS-CoV-2, рассказал «Известиям» научный сотрудник кафедры органической и биомолекулярной химии УрФУ Тимофей Мосеев.
— Этот результат, безусловно, большой шаг как с точки зрения фундаметальных аспектов в области развития хемосенсоров, так и с прикладной точки зрения, поскольку для установления верного плана лечения пациента необходимо быстрое и точное определение патологии, что и позволяет в перспективе сделать данная разработка, — подчеркнул он.
При этом «роботом» технология называется скорее в переносном смысле. По сути, речь идет о химическом реагенте, который способен раскручивать РНК из биологической жидкости, отметил старший научный сотрудник кафедры иммунохимии УрФУ и Института иммунологии и физиологии. УрО РАН Михаил Болков.
— Не очень понятно, на чем основано движение «рук» такого робота. Вероятно, это не автоматика, а обыкновенная химия, определенный фермент. То есть нет запрограммированного движения, — пояснил он. — Скорее, это молекулярная структура с активным ферментным центром. В целом всё зависит от результатов испытаний — если они успешны, то это замечательно,— сказал он.
Но следует отметить, что и методы ПЦР-анализа не потеряли своей значимости, в особенности при реализации с помощью микро- и нанотехнологий, позволяющих повысить скорость процесса на один-два порядка, подчеркнула доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Татьяна Зимина.
Как рассказали в ИТМО, следующий этап проекта — упаковать разработанный метод в удобную тест-систему для домашнего использования, а также научить ДНК-роботов распознавать не только COVID-19, но и другие вирусы и онкомаркеры. Исследование реализовано в рамках государственной программы поддержки и развития университетов Минобрнауки «Приоритет-2030».
