Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • Биомолтекст2020
  • vsh25
  • Vitacoin

Наномаячки просигналят об одиночных молекулах ДНК

Ученые Аризонского государственного университета, работающие под руководством доктора Уэйна Фрэша (Wayne Frasch), разработали биосенсорный нанодетектор, который в будущем, возможно, приведет к перевороту в сфере медицинского скрининга на наличие различных заболеваний и (что особенно важно для получения государственного финансирования :) позволит мгновенно выявить биотеррористов – например, в аэропортах.

Экспериментальный биосенсор можно сравнить с массой микроскопических маяков, которые вспыхивают при контакте с определенной последовательностью нуклеотидов, характерной для ДНК только определенного вируса, бактерии или онкогена. При этом чувствительность нового сенсора в миллионы раз выше, чем у существующих методов обнаружения ДНК.

Основу «маячка составляет F1-аденозинтрифосфатаза (F1-АТФаза), относящаяся к группе ферментов, обеспечивающих синтез энергии во всех организмах, в том числе процесс фотосинтеза в клетках растений. За изучение структуры и характеристик F1-АТФазы были присуждены две нобелевских премии – в 1979 и 1997 годах. Этот фермент расщепляет аденозинтрифосфат (АТФ) до аденозиндифосфата (АДФ) с выделением энергии. Диаметр молекулы фермента составляет 10-12 нм, а работает он примерно так же, как трехцилиндровый роторный двигатель «Мазды», вращая белковый «ротор», выступающий из состоящего из шести глобул «статора». Молекулы F1-АТФазы наносят на подложку на расстоянии около 1 микрона одна от другой. В макромире это выглядело бы как двигатели примерно метрового размера, расставленные на расстоянии 100 м друг от друга в бескрайней степи: сантиметр при таком увеличении превратится в тысячу километров. К каждому «ротору» разработчики прикрепили по молекуле белка авидина (зачем – будет понятно из дальнейшего описания).

В качестве «ламп» используются золотые наностержни около 90 нм в длину и 35 в диаметре, при вращении которых в микроскопе видны вспышки отраженного света. Наностержни также покрывают молекулами авидина.

Третий элемент системы – одноцепочечная молекула ДНК, комплементарная целевой – подлежащей обнаружению последовательности ДНК, длиной в 40 нуклеотидов. Концы цепочки сенсорной ДНК биотинилированы – соединены с молекулами биотина. Биотин (витамин H) способен прочно связываться с авидином (avis по-латыни – птица, а оба вещества были впервые выделены из куриных яиц).

И, наконец, для того, чтобы «карданный вал» нанодатчика стал достаточно жестким, необходимо добавить к нему вторую цепочку ДНК. Пробу (объемом 3 микролитра) нагревают почти до кипения. Двойные цепочки ДНК при этом расплетаются, а при охлаждении до комнатной температуры соединяются снова – и друг с другом, и с сенсорной последовательностью нуклеотидов (с последней, разумеется, только в том случае, если они комплементарны друг другу).

При добавлении в раствор «топлива» – АТФ – те из наностержней, которые соединены с молекулами АТФазы двойными цепочками ДНК, начинают вращаться. Как это выглядит под микроскопом, можно увидеть на ролике (avi, 3,5 Мб). Зрелище, правда, не захватывающее: ну, мигают огоньки на черном фоне…

На проведение анализа требуется всего 15 минут – на порядок меньше, чем при использовании существующих методов, с использованием сначала полимеразной цепной реакции (ПЦР) для многократного умножения числа молекул ДНК, а потом – иммунофлуоресцентнции для обнаружения в пробе определенной последовательности нуклеотидов.

Для проведения иммуноферментного анализа концентрацию ДНК необходимо увеличить не менее чем до 5 пикомолей (пикомоль – 10–12 моля); с помощью используемых для той же цели методов плазмонного резонанса и рамановской спектроскопии можно обнаружить ДНК при концентрации 10-20 фемтомолей (фемто- – 10–15). Аттомолярный рубеж (атто- – 10–18) разработчики нового метода перепрыгнули: с помощью описанного выше наносенсора можно обнаружить зептомолярные концентрации ДНК (зептомоль – 10–21 моля, всего 600 молекул). Дальше по этой шкале идет йоктомоль, но чисто формально: это уже 0,6 молекулы. А усовершенствованный АТФазный биосенсор позволит быстро и точно выявить буквально единичные молекулы ДНК.

Кстати, описание наносенсора и деталей его работы в нашем пересказе изрядно упрощено. Подробнее об этом можно прочитать в оригинале статьи Justin York et al. “Single-molecule detection of DNA via sequence-specific links between F1-ATPase motors and gold nanorod sensors” (Lab Chip, 2008, 8, 415-419, DOI: 10.1039/b716744j). К сожалению, в открытом доступе ее нет.

Авторы рассчитывают на поддержку Научного фонда Аризоны в переносе результатов работы из лаборатории в практическую биотехнологию посредством создания компании, специализирующейся на использовании F1-АТФазы в производстве приборов для выявления ДНК.

Прототип такого прибора уже разрабатывается. Для его использования мазок с инфицированной раны или багажа следует растворить в специальном составе, капля которого наносится на предметное стекло, к которому прикреплены референтные F1-АТФазы с наностержнями. При этом регистрируемый компьютером мигающий световой сигнал свидетельствует о присутствии в мазке искомой ДНК.

Авторы уже получили финансирование на разработку аналогичного метода выявления белков на уровне единичных молекул. Это направление особенно перспективно, т.к., в отличие от ДНК, белки невозможно амплифицировать в лабораторных условиях для повышения шансов выявления.

Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru по материалам ScienceDaily

31.03.2008

Читать статьи по темам:

биосенсоры экспресс-диагностика Версия для печати
Ошибка в тексте?
Выдели ее и нажми ctrl + enter
назад

Читать также:

Умная таблетка контролирует не только себя, но и пациента

Каждая таблетка Raisin system содержит неперевариваемый датчик, представляющий собой микрочип размером с песчинку и тонкопленочную батарею, активирующуюся при контакте с водной средой после проглатывания.

читать

Инновации на лабораторном столе

Лаборатория уже сейчас готова принимать заказы на биотестирование. Для проведения опытов на потоке есть всё – широкий арсенал качественных методик, квалифицированные специалисты, авторитетный бренд биофака.

читать