Разобраться с плевком за секунды

Группа ученых из Красноярска создала технологию выявления в слюне человека вируса SARS-CoV-2 с помощью коротких нуклеотидных последовательностей. Эти молекулы способны в разной степени взаимодействовать с элементом его оболочки — N-белком. Кандидатные молекулы подобрали и оптимизировали экспериментально — в пробирке и с помощью суперкомпьютера. Разработка позволяет создать новую тест-систему для определения возбудителя COVID-19, которая дает результат за несколько секунд, а также тесты для диагностики других вирусных и бактериальных инфекций.

Анна Кичкайло, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник и заведующая Лабораторией цифровых управляемых лекарств и тераностики ФИЦ Красноярского научного центра Сибирского отделения РАН, руководитель Лаборатории биомолекулярных и медицинских технологий Красноярского государственного медицинского университета имени В.Ф. Войно-Ясенецкого

Из личного архива Анны Кичкайло

«Ключик» к вирусу

Исследование получилось междисциплинарным. Вместе с учеными из Красноярского научного центра СО РАН, Красноярского государственного медицинского университета имени профессора В. Ф. Войно-Ясенецкого в проекте участвовали представители Университета Оттавы (Канада), Института физики им. Л. В. Киренского, Сибирского федерального университета (СФУ) и Томского государственного университета. Воплощать фундаментальные разработки в виде конкретных продуктов начали с создания теста на ковид, не теряющего свою актуальность для ученых. Полученная скорость диагностики в экспериментальном режиме оказалась в десятки раз выше, чем при ПЦР-тестировании. Не секрет, что, сэкономив время в начале заболевания, можно существенно улучшить его прогноз и исход.

«Мы меняем сам принцип диагностики на более простой и дешевый, — рассказала “Стимулу” руководитель проекта Анна Кичкайло, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник и заведующая лабораторией цифровых управляемых лекарств и тераностики ФИЦ Красноярского научного центра Сибирского отделения РАН, руководитель лаборатории биомолекулярных и медицинских технологий Красноярского государственного медицинского университета имени В. Ф. Войно-Ясенецкого.

Ученые поставили перед собой задачу найти молекулу, которая надежно соединялась бы с элементом оболочки коронавируса — N-белком. В отличие от S-белка, используемого SARS-CoV-2 для проникновения в человеческие клетки, устройство N-белка почти не меняется, что позволяет использовать его в качестве опознавательного знака всех существующих штаммов коронавируса — от первого уханьского до множества разновидностей омикрона.

Поиск кандидатных молекул из библиотеки одноцепочечных аптамеров, где собраны кусочки ДНК и РНК небольшой длины, вели с помощью направленной эволюции в пробирке.

«Это действительно настоящая эволюция молекул, — отмечает Анна Кичкайло. — В процессе отбора из миллионов коротких ДНК не прикрепившиеся к N-белку молекулы смываются, и выживают только те, которые с ним связались. Дальше мы увеличиваем количество копий этих ДНК, при этом копировании накапливаются ошибки — мутации. Когда эти молекулы вновь помещают в пробирку с N-белком, некоторые, уже с большим сродством, связываются с белком, некоторые теряют эту способность. Потом весь процесс снова повторяется. Так молекулы “приспосабливаются” к своей мишени, оптимизируется их форма и состав нуклеотидов в последовательности. В результате такой эволюции отбирается около 20 тысяч разных последовательностей, из которых с помощью методов анализа больших объемов данных остается 20».

Затем суперкомпьютерные технологии используют для еще большей оптимизации молекул, моделирования их структуры и определения энергий их взаимодействия с N-белком. «Для проведения исследований было использовано более 1700 вычислительных узло-часов из ресурсов Межведомственного суперкомпьютерного центра Российской академии наук (МСЦ РАН), состоящего из нескольких мощных, энергоэффективных и высокоплотных вычислительных систем на базе серверов с жидкостным охлаждением. Эти системы разработаны и установлены в МСЦ РАН специалистами группы компаний РСК», — уточнил Олег Горбачев, директор по корпоративным коммуникациям ГК РСК, компании — национального чемпиона. В результате удалось на порядок сократить время, затраченное на поиск и оптимизацию нужных молекул. Иначе выбирать молекулу из тысяч возможных вариантов ученым пришлось бы месяцами.

«В самом начале кандидатных молекул были миллиарды, после первичного отбора осталось около 20 тысяч. Дальше мы подключили анализ больших массивов данных, выбрали два десятка, 16 из них хорошо отвечали целям нашего поиска. В итоге одну, самую хорошую и перспективную, мы использовали, — говорит Анна Кичкайло. — Проведенные нами опыты показали, что молекула tNSP3 в диагностической тест-системе позволила в десятки раз сократить время на проведение исследования. При этом качество определения вируса не уступало классическим системам ПЦР-тестирования».

Олег Горбачев, директор по корпоративным коммуникациям Группы компаний РСК

Из личного архива Олега Горбачева

Пионерская технология

В итоге ученые получили рекордную скорость тестирования. Ни одна научная группа в мире пока не имеет такого результата. «Мы идем на полшага впереди всех, кто занимается подобными исследованиями», — отмечает Анна Кичкайло. По ее словам, этого удалось добиться за счет междисциплинарного подхода, группа из нескольких организаций занимается всесторонним фундаментальным изучением и конструированием, тестированием и применением в клинической практике молекулярных распознающих элементов на основе аптамеров. К результату группа шла более десяти лет, в сотрудничестве с канадскими коллегами из Университета Оттавы. В этом проекте россияне больше внимания уделяли фундаментальным исследованиям, канадцы — лабораторной части проекта. Фундаментальные исследования российской стороны профинансированы Российским научным фондом (РНФ).

Определив механизмы действия и удостоверившись, что новый принцип тестирования работает, ученые переходят к следующему этапу — тестированию технологии на пациентах. Нужную когорту будут набирать в Красноярском государственном медицинском университете, где ведутся рутинные работы тестирования слюны пациентов на ковид. Просто один и тот же материал тестируют двумя способами — традиционным и экспериментальным. К лету планируется протестировать около тысячи образцов слюны, чтобы убедиться в безотказности метода. К работе планируют подключиться ученые из Томского государственного университета.

Следующим шагом ученые выберут один из вариантов создания тест-системы с тем расчетом, чтобы медицинские учреждения могли использовать для нового метода уже имеющееся у них оборудование.

Процесс регистрации тест-системы российская и канадская группы будут проходить независимо, так как регистрация совместного продукта в нынешних геополитических условиях невозможна. К тому же индустриальным партнером проекта стало АО НПП «Радиосвязь», оборонное предприятие, что исключает участие иностранцев в проекте.

Анна Кичкайло рассчитывает, что вывести продукт на российский рынок можно будет через год-два.

Но на этом разработки не остановятся, так как скоростная тест-система для определения SARS-CoV-2 — это лишь конкретный актуальный прикладной, но не основной результат исследования. В руках у ученых появилась технология, которая позволяет проводить диагностические тесты для выявления различных вирусных и бактериальных инфекций и даже некоторых онкологических заболеваний. «То, что мы создали, это, скорее, технология, принцип отбора чувствительных молекул для диагностики и терапии, а не просто новый вид теста на ковид, — говорит Анна Кичкайло. — Мы планируем работать и с другими инфекциями, и уже есть предварительные договоренности на эту тему».

Владимир Дедков, заместитель директора НИИЭМ им.Пастера по научной работе

НИИЭМ имени Пастера Роспотребнадзора

Заместитель директора Научно-исследовательского института эпидемиологии и микробиологии имени Пастера Роспотребнадзора Владимир Дедков сказал «Стимулу», что в Институте Пастера будут с интересом следить за разработкой и протестируют готовый продукт, когда появится такая возможность. Однако он выразил сомнения в том, что тест-система на основе аптамеров будет обладать чувствительностью и специфичностью не ниже, чем у повсеместно применяемых ПЦР-тестов. «Скорость в диагностике ковида и других заболеваний, конечно, важна. Но при ПЦР-тестировании время расходуется на размножение вируса, а в случае с предложенной методикой концентрация вируса в образце остается прежней, и есть риск, что чувствительность тест-системы на основе аптамеров будет низкой», — полагает Владимир Дедков.