Найти и обезвредить: зачем нужны и как работают биосенсоры на основе фрагментов ДНК

Генное редактирование и создание ДНК-библиотек — благодаря современным генетическим технологиям ученые разрабатывают не только препараты для лечения заболеваний, но и новые методы диагностики. Например, особые фрагменты ДНК помогают специалистам находить вирусы и опасные бактерии.

Подобным образом действует новый сверхчувствительный биосенсор на основе ДНК-аптамеров, предложенный сотрудниками химического факультета МГУ. Он способен обнаружить искомую частицу буквально за 15 минут. В чем уникальность этой разработки, что такое аптамеры и с какими трудностями сталкиваются генетики, порталу наука.рф рассказала автор проекта, доцент кафедры химии природных соединений химического факультета МГУ, доктор химических наук Елена Завьялова. Проект ведется при поддержке Российского научного фонда (РНФ).

Легкая мишень

Аптамеры — это короткие фрагменты ДНК, отличающиеся крайне полезным свойством. Благодаря своей уникальной структуре они могут связываться с белками, бактериями, вирусами и даже целыми клетками. Такая способность позволяет применять эти молекулы в терапии, диагностике и системе доставки лекарств, «нацеливая» их на конкретные мишени.

Обычно ученые создают аптамеры в лабораторных условиях: выбирают из огромных библиотек ДНК-фрагментов те, которые хорошо соединяются с нужной молекулой. Затем их наносят на поверхность наночастиц серебра ­— и биосенсор готов.

«Под каждую мишень, например, какой-нибудь вирус, разрабатывается свой аптамер, при этом он не должен связываться с другими вирусами. Если мы хотим найти несколько разных вирусов, размещаем на каждой зоне металлических наночастиц особые аптамеры, и каждый из них будет ловить только один тип вирусов», ­— объясняет Елена Завьялова.

На практике биосенсор действует следующим образом: сначала его помещают в пробирку с биологической жидкостью, а затем измеряют сигнал с помощью специального устройства, рамановского спектрометра. С его помощью ученые могут найти и изучить вирусы, которые прикрепились к частицам. Если вирус есть — подается сигнал: спектр видимого света на молекуле становится более насыщенным.

Такая тест-система, как отмечают исследователи, позволяет выследить вирус гораздо быстрее, чем стандартные методы.

«Мы брали мазок из носа у здорового человека, а также плазму крови, и добавили туда вирусы гриппа типа A и коронавирус. На этих образцах нам удалось определить опасные организмы всего за 15 минут, в то время как анализ ПЦР обычно занимает больше времени, порядка двух часов», — подчеркивает эксперт.

В будущем, по словам специалиста, спектр вирусов для этого метода можно расширить, например, искать с его помощью онкомаркеры.

Воплотить в жизнь

Работа над этим проектом ведется на базе химического факультета МГУ уже более пяти лет. Изначально команда ученых занималась разработкой так называемых терапевтических олигонуклеотидов — коротких фрагментов ДНК или РНК, применяющихся в медицине.

Продолжить исследования в новом направлении помогли сотрудники Института физики твердого тела РАН (группа кандидата физико-математических наук Кукушкина В.И.). Коллеги предложили собрать на основе ДНК-фрагментов биосенсор и проверить его эффективность на созданном в институте рамановском спектрометре. На момент разработки исследований, в которых аптамеры использовались в комбинации с таким физическим методом, было немного. Ученые МГУ оказались в числе первых.

«Наш сенсор показал довольно низкий предел обнаружения: от десяти до тысячи вирусных частиц в миллилитре, что сопоставимо с возможностями ПЦР. Иными словами, для того, чтобы найти вирус или бактерию, нам нужно минимальное содержание определяемого вещества в пробе, сигнал от которого можно надежно отличить от фона», — рассказывает спикер.

В настоящий момент химики завершили научные исследования и открыты к сотрудничеству с предприятиями, готовыми помочь с внедрением новой экспресс-диагностики в практику.

«Важно перейти к клиническим испытаниям, подготовить рекомендации для тестирования, аккуратно сравнить с существующими методами. И здесь нам нужны партнеры-медики», — делится руководитель проекта.

Теория узнавания

С этой разработкой связано другое интересное исследование, которым занимаются специалисты. Дело в том, что ДНК-аптамеры показали свою эффективность и их структура хорошо изучена, однако не до конца понятно, почему некоторые из них соединяются с мишенями (в том числе белками, бактериями и вирусами) лучше других. Такую способность связываться — аффинность — ученые решили исследовать на фундаментальном уровне.

«Мы не можем создать аптамер, пользуясь только данными о структуре белка. Как правило, необходимо еще и проводить эксперимент по селекции: подбирать подходящие участки из тысяч, а то и миллионов последовательностей ДНК. Но научиться делать подбор вычислительными методами, конечно, хотелось бы. Поэтому в своей работе я попыталась выяснить, почему у одних аптамеров аффинность больше, а у других меньше», — рассказывает химик.

Ученые пришли к выводу, что на прочную связь может влиять не только исходная структура молекул. Но и их способность перераспределять энергию, возникающую в ходе образования комплекса из аптамера и мишени. Такая энергия появляется именно в момент их взаимодействия.

Однако увидеть воочию, как две молекулы узнают друг друга и что происходит в момент их слияния, исследователи пока не могут — события происходят слишком быстро, а эксперименты позволяют следить за такими процессами лишь косвенно. Подтвердить теорию и приблизиться к разгадке можно только с помощью вычислительных методов, для которых нужны большие мощности.

Ответить на вызовы

В ожидании этих возможностей уже сейчас можно точно сказать: наука далеко продвинулась в сфере генетических технологий. Теоретические основы тщательно разработаны, да и особых ограничений в реализации нет. Но по мере развития направления возникают и новые задачи.

Одна из них — найти оптимальные способы доставки генов, добиться того, чтобы после их внедрения клетки стабильно работали.

Другая проблема заключается в конечной стоимости продукта. Поскольку синтез и исследования препаратов на основе ДНК требуют больших затрат, то и цена у таких лекарств пока остается высокой. Чтобы сделать разработки доступнее, нужно искать и более доступные методы синтеза.

«Кроме того, важно наладить в стране производство исходных веществ для синтеза нуклеиновых кислот. Особенно учитывая, что у нас все больше разработок создается на основе ДНК. При этом стоит обратить внимание на качество реактивов. Чем меньше примесей, тем больше продукта по итогу работы мы получим», — поясняет Елена Завьялова, добавив, что в ближайшие годы потенциал у подобных исследований будет только расти.

Но чтобы использовать его в полную силу и добиться высоких результатов в генетических технологиях, по мнению эксперта, необходимо объединить усилия государства, науки и промышленности.

Анна Шиховец