ПЦР-тесты сегодня используются повсеместно — от диагностики инфекций до определения отцовства.
Разработчики стараются сделать их быстрыми и компактными, чтобы применять не только в лабораториях, но и в больницах, поликлиниках и на месте происшествия. Однако такие устройства разрабатываются преимущественно экспериментально, методом проб и ошибок, что не позволяет использовать их в реальной практике. Ученые Пермского Политеха создали новую математическую модель, которая поможет это исправить. С ее помощью можно заранее рассчитать, сколько тест проработает без сбоев, и сделать диагностику точнее. Статья опубликована в журнале «Прикладная механика и техническая физика».
Сегодня существует множество самых разных видов диагностики — от простых экспресс-тестов до сложных лабораторных анализов. Но одной из самых популярных и востребованных технологий остается ПЦР — полимеразная цепная реакция. Ее делают повсеместно: для определения инфекционных заболеваний (от COVID-19 и гепатитов до ВИЧ и туберкулеза), генетических предрасположенностей, установления отцовства, а также для криминалистической и судебно-медицинской экспертизы.
Чтобы быстро определить, болен человек или нет, у него берут мазок и исследуют его на наличие следов ДНК возбудителя. Однако в пробе они присутствуют в настолько малых количествах, что обнаружить их напрямую практически невозможно. Поэтому ДНК сначала необходимо размножить — получить из единичных молекул тысячи и миллионы копий, чтобы концентрация стала достаточной для детекции. Это делается следующим образом: образец поочередно нагревают и охлаждают, и в ходе такого температурного цикла происходит копирование генетического материала. Реакцию повторяют многократно, и с каждым разом количество ДНК удваивается. Как правило, для этого процесса нужен специальный прибор — термоциклер, который быстро нагревает и охлаждает пробирку. Но используют его в основном только в лабораториях, поскольку это громоздкое и дорогое оборудование, требующее стабильного электропитания.
Решением этой проблемы стала конвекционная ПЦР — маленькая камера с раствором, где жидкость внутри сам циркулирует за счет разницы температур. Молекулы ДНК движутся вместе с потоком, по очереди проходя через зоны нагрева и охлаждения, где и происходит копирование. Такой подход позволяет обойтись без сложного термоциклера и сделать устройство компактным и дешевым. Но чтобы понять, как именно поведет себя раствор в такой камере, как будут двигаться молекулы и успеют ли они пройти нужные температурные зоны, нужны математические модели. При этом большинство из них описывают раствор ДНК как обычную, однородную жидкость, игнорируя тот факт, что по мере размножения частиц их становится так много, что раствор начинает вести себя непредсказуемо. Эти молекулы обладают собственной массой и плотностью, а при накоплении начинают оседать и мешать жидкости свободно циркулировать, замедляя реакцию. В итоге из-за отсутствия точных моделей ученые не могут достоверно предсказать, как поведет себя такое устройство при диагностике. А без этого нельзя гарантировать, что компактный ПЦР-тест сработает надежно. Именно поэтому подобные устройства пока с трудом выходят за пределы лабораторий и редко применяются в реальной практике.
Ученые Пермского Политеха разработали новую математическую модель конвекционной ПЦР. В отличие от существующих решений, она впервые учитывает накопление тяжелых молекул ДНК в растворе и их влияние на движение жидкости. Это поможет заранее понимать, сколько устройство проработает без сбоев и сделает диагностику более точной. Стандартные модели полимеразной цепной реакции не закладывают в расчет, что ДНК обладают значительными размерами и массой по сравнению с молекулами растворителя, поэтому со временем они замедляют течение. Исследователи пошли другим путем и описали молекулы как отдельные частицы — со своей скоростью, массой и плотностью. То есть они учли, что по мере размножения ДНК их становится так много, что они начинают оседать, мешая циркуляции раствора внутри устройства.
Так ученые создали новую математическую модель конвекционной ПЦР. Она позволяет рассчитать, как генетический материал будет накапливаться, как это повлияет на реакцию копирования молекул и когда именно весь процесс начнет замедляться. Используя ее, инженеры и ученые заранее могут задать форму и размеры камеры, свойства раствора и температуру, а модель покажет, сколько именно устройство проработает без сбоев. "Тестирование проводилось в специальной программе, которая позволяет воспроизвести движение жидкости и тепла в камере ПЦР. Мы следили за реакцией на протяжении примерно 1000 секунд — это тот отрезок времени, за который успевает пройти несколько десятков циклов копирования, что достаточно для получения молекул ДНК в количестве, доступном для регистрации", — отметил Дмитрий Брацун, заведующий кафедрой «Прикладная физика» ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Моделирование показало, что спустя примерно 800 секунд после начала реакции молекулы накапливаются настолько, что замедляют движение жидкости в камере. Из-за этого часть из них не успевает пройти нужные температурные зоны, а время удвоения ДНК резко растет. То есть у устройства есть скрытый предел, после которого оно начинает работать хуже — и стандартные решения этого не учитывают. Зная, когда именно нарушается равновесие, разработчик может подобрать такие форму и размеры устройства, чтобы жидкость крутилась правильно как можно дольше. Это также поможет рассчитать, сколько времени тест вообще способен проработать без сбоев и давать надежный результат. "Особенность исследования в том, что мы впервые описали конвекционную ПЦР не как обычную жидкость, а как систему, где молекулы ДНК — это самостоятельные частицы со своей массой и плотностью. Раньше это не учитывали, что не позволяло увидеть, что реакция не может идти вечно с одинаковой скоростью, у нее есть скрытый предел", — рассказал Рамиль Сираев, доцент кафедры «Прикладная физика» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Новое решение дает ученым возможность более точно определить временные рамки, в течение которых работа ПЦР-тестов остается предсказуемой и эффективной, что критически важно для создания точных приборов. Это открывает путь к созданию действительно быстрых и компактных систем для диагностики, которые могут использоваться в медицине и криминалистике.
