Ученые активно работают над созданием наноматериалов и наночастиц для экспресс-ДНК-диагностики, которые не только ускорят анализ заболеваний, но и позволят создать новые медицинские средства для лечения серьезных болезней. Для решения этих задач в МФТИ был разработан уникальный по своим свойствам «умный» материал. Следующим этапом ученые разработали новый оптический биосенсор для анализа кинетики связывания наноматериалов с лигандами — молекулами ДНК. Работа опубликована в журнале Molecular Biology.
Для разработки интеллектуальных тераностических агентов на основе наноматериалов необходимо знать, как происходит процесс связывания агентов с поверхностью биочипа. Однако оценка этих параметров по-прежнему остается сложной задачей. Для ее решения ученые МФТИ разработали новый биосенсор, способный оптимизировать работу молекулярных маяков на наночастицах. Эти интеллектуальные материалы показали семикратное увеличение скорости адсорбции при переключении молекулярных маяков из состояния «выключено» (без лиганда) в состояние «включено».
«Это исследование является некоторым продолжением предыдущего проекта наших же ученых из МФТИ, которые разработали уникальный “умный” материал на основе явления “молекулярных маяков”. Новый материал позволяет проводить детекцию небольших молекул ДНК с высокой точностью и в небольших количествах, что было затруднительно при использовании более классических подходов. Исследование было опубликовано в ACS Nano.
Наша работа — следующий этап, и была направлена на создание биосенсора, с использованием которого можно отслеживать процесс связывания умных материалов с молекулами ДНК», — рассказала об исследовании Елена Комедчикова, младший научный сотрудник лаборатории биохимических исследований канцерогенеза МФТИ.
В целом для экспресс-ДНК-диагностики ученые часто используют чувствительные к стимулам интеллектуальные материалы, которые активируются входными сигналами и остаются неактивными до их поступления. Подобные материалы представляют большой интерес для анализа биохимических данных.
В процессе работы биофизики из лаборатории нанобиотехнологий МФТИ пришивали молекулу одноцепочечной ДНК одним концом на поверхность наночастиц. ДНК-молекула не имела двухцепочечных областей, образующихся за счет спаривания фрагментов своей же цепи (так называемых «шпилек»). На другой конец нити был пришит рецептор, распознающий маркеры на поверхности клеток, но который в ходе экспериментов не хотел связываться с мишенью. Ученые предположили, что на поверхности наночастицы одноцепочечная нить ДНК «прилипает» и самопроизвольно сворачивается в клубок, в результате чего рецептор «прячется». Гипотеза подтвердилась, когда к такой частице добавили другую небольшую нить ДНК, и рецептор мгновенно «активировался» и связывался с мишенью.
В новом исследовании ученые из Института биофизики будущего МФТИ, Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН и Отделения нанобиомедицины Научно-технического университета «Сириус» обратили внимание на важный показатель — взаимодействие между наночастицами и непосредственно молекулами организма (белками клеточной мембраны, нуклеиновыми кислотами и т.д.), так как эти параметры критичны для адресной доставки. Для оценки кинетики связывания обычно используют методы биосенсорного анализа. Также для моделирования измерений кинетики используют динамическое рассеяние света, флуоресцентную спектроскопию и гигантское магнитосопротивление. Однако все эти подходы имеют свои ограничения.
Для создания более универсального метода биофизики из МФТИ с коллегами разработали безметочный оптический биосенсор на основе спектральной фазовой интерферометрии. Данный биосенсор позволяет измерять кинетику связывания и может применяться для различных материалов. Важно, что он может функционировать на поверхности обычного покровного стекла с нанесенным биослоем, что избавляет от необходимости использования дополнительных дорогостоящих покрытий.
Биосенсор работает на основе интерференции света и позволяет в реальном времени измерять скорость взаимодействия наночастиц с его поверхностью, детектируя даже очень низкие концентрации ДНК — от 50 пМ.
«В чем основные преимущества нашего биосенсора? Сейчас для анализа ДНК часто используются сложные методы, которые требуют много времени и дорогостоящего оборудования, а наш сенсор позволяет провести быстрый и дешевый метод детекции. Такой анализ может быть востребован как в фундаментальных, так и в клинических исследованиях, особенно для экспресс-диагностики различных патологических заболеваний. Кроме того, результаты этого исследования в будущем помогут разрабатывать более точные и стабильные системы для диагностики», — подчеркнула Елена Комедчикова.
Рисунок 1. Схематическое изображение СФИ биосенсора и биочипа. (а) Принцип работы биосенсора на основе СФИ. (б)Процесс иммобилизации золотых НЧ размером 15 нм на поверхности стекла, модифицированного смесью А:М. Источник: Molecular Biology. Рисунок создан с использованием программного обеспечения BioRender
Данный метод может быть использован для разработки новых молекулярных маяков на наночастицах. При связывании с ДНК молекулярные маяки на наночастицах переходят из состояния «выкл» в «вкл», что приводит к семикратному увеличению константы скорости связывания с поверхностью биочипа. В этом исследовании ученые впервые показали, что регистрируемый сигнал активации интеллектуальных наноматериалов может быть измерен не только в конечной точке, но и в виде кинетической кривой на начальном этапе взаимодействия с мишенью (в данном случае с поверхностью биосенсора).
Разработанные молекулярные маяки на наночастицах открывают новые возможности для создания усовершенствованных нанороботов для тераностики благодаря их высокой чувствительности к анализируемым веществам и эффективной работе при физиологической ионной силе. Последнее выгодно отличает их от ранее разработанных наномаячков, которые были эффективны только в растворах с высоким содержанием соли. В будущем разработанный биосенсор можно будет использовать в качестве диагностического инструмента нового поколения.
