Вирус ищут в четыре руки

Д ля применения нового метода не нужны обученный персонал, сложное оборудование и дорогие реагенты. Он не уступает в точности ПЦР, одному из самых чувствительных методов молекулярной диагностики инфекционных заболеваний. При этом ПЦР имеет ряд ограничений. Так, анализ образцов можно проводить только в лабораторных условиях, применяя дорогостоящее оборудование. Аптечные экспресс-тесты любой человек может самостоятельно использовать дома, однако чувствительность этого метода очень низкая. Например, такие тесты могут показать ложноотрицательный результат при небольшой вирусной нагрузке (количество вируса в организме).

В разгар пандемии коронавируса ученые химико-биологического кластера ИТМО поставили цель создать систему для обнаружения инфекций, которая будет проста в использовании, как аптечные экспресс-тесты, но при этом близка по точности к ПЦР. Им удалось разработать наноробота из молекул ДНК, способного быстро определять наличие вируса в образцах, взятых, например, со стенок носа.

«В основе практически всех проектов нашей лаборатории — работа с каталитически активными нуклеиновыми кислотами, так называемыми дезоксирибозимами, — рассказал “Стимулу” первый автор исследования, аспирант химико-биологического кластера ИТМО Ахмед Эльдиб. — ДНК-машина для детектирования коронавирусной инфекции также основана на дезоксирибозимах. Дело в том, что свойства, ранее обнаруженные другими учеными, делают дезоксирибозимы эффективной основой для диагностики. Они обладают стабильностью, биосовместимостью, а также просты в синтезе и модификации конструкций. Когда началась пандемия коронавируса, мы, наблюдая за большим спросом на дорогостоящие ПЦР-тесты, пришли к идее использовать дезоксирибозимы для детектирования SARS-CoV-2 в качестве более простой и дешевой системы».

Робот содержит 215 нуклеотидов (элементарные структурные единицы ДНК и РНК). В основе метода лежит важное свойство олигонуклеотидов — комплементарность азотистых оснований. То есть, зная последовательность РНК коронавируса, мы составляем ДНК-машину с комплементарными участками, которые будут прикрепляться к РНК вируса.

К роботу подсоединены четыре специальных «рычага», ученые называют их «руки». Чтобы проанализировать образец на наличие инфекции, нужно добавить в него раствор с ДНК-системой и специальное вещество, способное светиться (флуоресцентный субстрат), которое позволит визуализировать результат. Робот сможет обнаружить вирус, даже если он будет присутствовать в малом количестве.

«“Руки” — это части дезоксирибозимов, — поясняет Ахмед Эльдиб. — Они включают в себя участок, связывающийся с РНК вируса, и участок, взаимодействующий с флуоресцирующим субстратом. “Руки” работают в парах: если РНК вируса присутствует, то пары “рук” формируют активный центр, который расщепляет прикрепленный флуоресцирующий субстрат, и мы можем видеть его свечение, то есть детектировать наличие коронавируса. Механизм разворачивания РНК достаточно прост. Машина приближается к РНК вируса, начинает прикрепление с любого участка по принципу комплементарности, и далее прикрепление продолжается будто под действием магнита, что заставляет РНК вируса разворачиваться в линию».

Следующий этап проекта — «упаковать» разработанный метод в удобную тест-систему для домашнего использования, а также научить ДНК-роботов распознавать не только COVID-19, но и другие вирусы и онкомаркеры.

«Наша цель, — говорит Ахмед Эльдиб, — доработать наш метод так, чтобы тесты можно было проводить в домашних условиях. Технология будет основана на явлении квантовых точек — флуоресцентных нанокристаллов, к которым будет прикреплена ДНК-машина. Мы видим это так: пациент получает набор для анализа, в котором содержится пробирка с реакционной средой, слайд с квантовыми точками и устройство с ультрафиолетовой лампой (для обнаружения свечения). Перед сном пациент берет у себя мазок из носа, опускает в реакционный буфер и наносит на слайд. Утром он вносит слайд под ультрафиолетовый свет, после чего проявляется свечение квантовых точек. Используя специальное приложение на телефоне, пациент сможет детектировать свечение и понять, заражен ли он».