В ИТМО разработали ДНК-машину для обнаружения патогенов

Ученые Университета ИТМО и Университета Центральной Флориды разработали ДНК-машину для обнаружения патогенов — опасных для здоровья вирусов, бактерий и других микроорганизмов. Новый метод, в отличие от ПЦР-тестов, не требует использования дорогого оборудования. Разработка позволяет проводить тестирование даже при комнатной температуре. С помощью цветового сигнала результат можно увидеть невооруженным глазом. Статья опубликована в журнале Chemical Communications.

ПЦР — один из самых точных и чувствительных методов молекулярной диагностики инфекционных заболеваний. Однако и у него есть свои ограничения: для анализа образцов на наличие генетического материала патогена необходимы лабораторные условия, обученный персонал и дорогостоящее оборудование. Например, приборы для увеличения копий фрагментов нуклеиновых кислот, РНК и ДНК, — термоциклеры, меняющие температуру на разных этапах. В качестве альтернативы развивают методы изотермической амплификации, при которых копирование (амплификация) РНК и ДНК происходит в одном температурном режиме. Они близки по точности к показателям ПЦР.

Биохимикам из ИТМО удалось продвинуться в этом направлении и создать удобный инструмент для верификации и визуализации результатов изотермической амплификации.

«РНК или ДНК обычно находятся в свернутом состоянии и разворачиваются только при высоких температурах, что усложняет детекцию целевых фрагментов. Мы разработали ДНК-машины, которые способны без специальных приборов и нагревания выявлять нужные участки, аналиты, одноцепочечных РНК, принадлежащие определенным патогенам. ДНК-машины “подбираются к мишени”, обхватывают ее и заставляют нуклеиновую кислоту развернуться», — объясняет Дарья Горбенко, сотрудник Международного научного центра SCAMT Университета ИТМО.

Предложенная ДНК-машина — это небольшая платформа из двухцепочечной нуклеиновой кислоты. К ней подсоединены специальные участки, образно говоря, «руки» — их может быть две, три или даже четыре. Для каждого патогена создается своя платформа, ее достаточно подобрать один раз. Она должна быть устроена так, чтобы не было вероятности возникновения кросс-комплементарности, то есть нежелательного скрещивания структурных элементов ДНК-машины с аналитом РНК.

«При наличии в образце искомого патогена машина соединится с аналитом и образует четырехцепочечную ДНК — G-квадруплекс. Свойства этой структуры открывают простор для создания простой и наглядной тест-системы: при добавлении специальных реагентов мы получим цветовой сигнал. В нашем случае образец окрашивается в коричневый цвет», — поясняет Дарья Горбенко.

Весь процесс тестирования с помощью ДНК-машины — от взятия материала и выделения нуклеиновой кислоты до образования G-квадруплекса и получения цветового сигнала — занимает порядка двух-трех часов, но авторы проекта уверены, что это время можно сократить. На данном этапе исследования эксперименты проводились на синтетических образцах и на копиях РНК и ДНК: в статье описаны результаты обнаружения цитомегаловируса (разновидности герпеса), гемофильной палочки, вызывающей поражение органов дыхания, и листерии моноцитогенес (острые пищевые отравления).

Неожиданным открытием стало то, что ДНК-машина в некоторых случаях справлялась с выявлением не только одноцепочечных РНК, но и двухцепочечных ДНК — и все это при комнатной температуре. Благодаря этому результату статья попала в топ-10 срочных публикаций этого года.

Ученые планируют сосредоточиться на детекции копий ДНК, чтобы объяснить это явление, а также увеличить избирательность ДНК-машины для поиска конкретной нуклеиновой кислоты в растворе из нескольких других. По словам авторов проекта, в будущем предложенный метод будет «упакован» в компактное устройство, которое можно использовать вне лаборатории.