Ученые МФТИ совместно с российскими и зарубежными коллегами вышли на новый уровень понимания механизмов адсорбции ДНК на поверхностях высокоориентированного пиролитического графита. Им впервые удалось в реальном времени проследить за конформациями, которые принимают биологические макромолекулы в этом процессе, и научиться «фиксировать» их за счет создания специального монослоя в углеродном материале. Пропуском на ранее недоступную молекулярную «выставку» стала атомно-силовая микроскопия, с помощью которой ученые смогли понаблюдать за тем, в каких формах ДНК «застывают» на поверхности графита. Полученные данные будут способствовать созданию более совершенных биотехнологических устройств — ДНК-чипов для биосенсоров, молекулярной электроники и генетического анализа. Работа опубликована в International Journal of Biological Macromolecules.
Изучение взаимодействия ДНК с углеродными материалами, такими как графит, графен и углеродные нанотрубки, является перспективной областью исследований с мощным потенциалом в сфере биотехнологий. «ДНК-сенсоры на основе углеродных материалов обладают высокой чувствительностью и специфичностью, что делает их прекрасным инструментом для различных биотехнологических, медицинских и экологических приложений. Однако, несмотря на многочисленные исследования, до сих пор не удалось достичь полного понимания механизмов адсорбции ДНК на таких поверхностях, что является значительной преградой для развития этих технологий. Проведенное нами исследование вносит вклад в уточнение этих механизмов», — пояснил Николай Баринов, научный сотрудник лаборатории функциональных биоматериалов МФТИ.
Ученые использовали атомно-силовую микроскопию для исследования поведения ДНК на поверхности высокоориентированного пиролитического графита. Ранее этот мощный инструмент уже применялся различными научными группами для подобных целей. К примеру, в контексте взаимодействия ДНК с углеродными поверхностями он позволил визуализировать структуры, образующиеся в процессе денатурации, и формирование ДНК-агрегатов. Однако в данной работе ученым МФТИ впервые удалось выйти на беспрецедентный уровень детализации, изучив пространственное расположение, которое принимают ДНК при взаимодействии с углеродной поверхностью. Для такого подробного исследования ученым необходимо было найти возможность зафиксировать конформацию биологических макромолекул. Это было достигнуто путем модификации поверхности графита с помощью органического соединения на основе олигоглицина — N,N’-(декан-1,10-диил)-бис-(тетраглицинамида).
«Мы проанализировали морфологию и конформацию молекул ДНК, адсорбированных на исходные и модифицированные графитовые поверхности. Добавление раствора производной олигоглицина на поверхность графита после адсорбции ДНК приводило к встраиванию молекул ДНК в образовавшийся органический монослой. Это позволило стабилизировать конформацию ДНК и провести ее количественный анализ. Исследование показало, что молекулы ДНК адсорбируются на поверхность графита через механизм “кинетической ловушки”, а их конформация сохраняется благодаря органическому монослою», — пояснил Евгений Дубровин, старший научный сотрудник лаборатории функциональных биоматериалов МФТИ.
Ученые отметили, что олигоглицин-содержащий монослой может использоваться не только в аналитических целях для стабилизации ДНК при изучении конформаций с помощью атомно-силовой микроскопии. Применение этого органического соединения для целенаправленного дизайна монослоя поверхности и выбор модифицированного таким образом графита для создания ДНК-сенсоров может повысить их чувствительность и специфичность за счет поддержания нужной конформации.
Исследование представляет собой значительный шаг вперед, демонстрируя мощь атомно-силовой микроскопии в раскрытии сложных взаимодействий между ДНК и углеродными поверхностями. Полученные результаты станут основой для развития новых электрохимических и флуоресцентных ДНК-биосенсоров. В перспективе эти сенсоры могут трансформировать такие области, как медицинская диагностика и экологический мониторинг, предоставляя быстрый и точный аналитический подход для детектирования биологических молекул.
В исследовании, кроме сотрудников лаборатории Физтех-школы биологической и медицинской физики МФТИ, также приняли участие специалисты научно-технологического Университета «Сириус», Института наук о материалах Мюлуза и МГУ имени М. В. Ломоносова.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант 075-03-2024-107).
