Матрица из кремния позволяет обнаружить наличие крошечных количеств ДНК и, возможно, других типов молекул без предварительного создания их копий.
Экспресс-тесты COVID-19 позволили многим людям на собственном опыте убедиться в ценности быстрой и дешевой диагностики. Недавно исследователи показали, как можно проводить тысячи быстрых молекулярных скринингов одновременно, используя свет для идентификации целевых молекул, закрепленных на массиве крошечных кремниевых блоков. Теоретически с помощью этого метода можно обнаружить 160 000 различных молекул на одном квадратном сантиметре площади. Разработанная для обнаружения фрагментов генов вируса SARS-CoV-2 и других возбудителей инфекционных заболеваний, технология также может быть использована для выявления белковых маркеров рака и малых молекул, указывающих на токсические угрозы в окружающей среде.
"Эта технология может сыграть огромную роль в том, как мы будем обнаруживать загрязнения в окружающей среде, - утверждает Крис Шолин, молекулярный биолог, президент и генеральный директор Исследовательского института Monterey Bay Aquarium. По его словам, этот метод может быть полезен и в клинической диагностике, хотя у него уже есть несколько конкурирующих технологий, которые широко используются.
Генетические тесты не являются чем-то новым. Большинство из них основаны на измерении поглощения или излучения света молекулами-зондами, специально предназначенными для закрепления на целевом гене. Однако для получения сигнала, достаточно сильного для обнаружения, большинство технологий опирается на амплификационные методы, такие как полимеразная цепная реакция, позволяющие получить множество копий целевого гена, прежде чем попытаться их обнаружить, что увеличивает стоимость и время проведения тестов. Исследователи разработали целый ряд более чувствительных технологий. "Однако прежние сенсоры не могли обнаружить широкий спектр целевых молекул - от очень низкого до очень высокого содержания, - поясняет Дженнифер Дионн, специалист по прикладной физике из Стэнфордского университета.
В надежде решить эти проблемы Дионн и ее коллеги обратились к оптическому методу обнаружения, который основан на использовании метаповерхностей - массивов крошечных кремниевых ячеек высотой около 500 нанометров, длиной 600 нанометров и шириной 160 нанометров, которые фокусируют на своей верхней поверхности свет ближнего инфракрасного диапазона. Благодаря такой фокусировке с помощью простого оптического микроскопа можно легко обнаружить изменение длины волны света, исходящего от каждого кремниевого блока, которая меняется в зависимости от того, какие молекулы находятся на его поверхности.
Чтобы проверить эту идею, исследователи прикрепили к кремниевым блокам одноцепочечные фрагменты генов длиной 22 нуклеотида и погрузили матрицу в буферный раствор. Когда в раствор добавили комплементарные нити ДНК, они быстро связались с присоединенными, изменив длину волны света, излучаемого с поверхности каждой ячейки. Дионн и ее коллеги сообщили, что их устройство позволяет обнаружить наличие всего 4000 копий целевых генов на микролитр. Этот результат они опубликовали на прошлой неделе в журнале Nature Communications.
Именно такая концентрация обычно присутствует в назальном образце человека, инфицированного вирусом SARS-CoV-2. По словам Дионн, этот метод может позволить врачам выявлять вирусные инфекции без предварительной амплификации генетического материала пациента. Не менее важно, отмечает она, что матрица может быть разработана таким образом, чтобы показывать количество связанных с мишенью ДНК, что позволяет в считанные минуты определить не только наличие конкретного вируса, но и интенсивность инфекции. Такая информация может помочь врачам подобрать оптимальное лечение. Существующие в настоящее время тесты также могут это делать, но на амплификацию генетического материала и количественную оценку результатов обычно уходит несколько часов.
Шолин утверждает, что эта технология может найти более широкое применение для отслеживания молекул за пределами лаборатории или кабинета врача. Например, ученые-экологи в настоящее время используют генетические зонды для обнаружения токсичных водорослей в водоемах. Но для этого обычно требуется дополнительная обработка для амплификации целевых генов и последующего тестирования их количества, что может занять несколько часов, а то и дней лабораторной работы.
В этой ситуации скорость новой методики может стать решающим фактором, считает Шолин. Другой интересный вариант, по его словам, заключается в привязке антител к кремниевым ячейкам. Это позволит исследователям напрямую захватывать соответствующий антиген, будь то токсин или белковый маркер заболевания. Он надеется использовать детекторы Стэнфордской группы, чтобы проверить, смогут ли они обнаруживать микробные токсины в воде прямо "на лету". "Это окажет реальное влияние на людей, экологию и дикую природу", - утверждает он.
Дионн и ее коллеги создали компанию Pumpkinseed Bio для коммерциализации своих новых детекторов, специально предназначенных для обнаружения мельчайших уровней белков и других молекул, которые не могут быть легко амплифицированы, чтобы облегчить их обнаружение. А поскольку для обнаружения отдельных целевых молекул потребуется лишь небольшое количество кремниевых элементов, исследователи смогут создавать массивы для одновременного отслеживания множества биомаркеров заболеваний. "Мы надеемся одновременно изучать множество заболеваний", - говорит Дионн. "Таково наше стремление".
