Международная команда учёных из Южной Кореи и МФТИ создала инновационную платформу для фотонной полимеразной цепной реакции (ПЦР). Им удалось уменьшить время, необходимое для достижения достаточной для анализа концентрации ДНК, с одного-двух часов до нескольких минут. Кроме того, теперь для проведения реакции не нужно громоздкое и дорогое оборудование — достаточно одного светодиода. Недорогие и простые в применении чипы могут найти применение в качестве экспресс-тестов на инфекции. Исследование опубликовано в журнале Laser Photonics Reviews.
Открытие метода ПЦР произвело революцию в медицине, науке и повседневной жизни человечества. Благодаря ему можно выяснить, присутствуют ли в образце искомые последовательности ДНК, что можно использовать для генноинженерных манипуляций, диагностики заболеваний и в расследовании преступлений. Однако для проведения классической ПЦР необходимо довольно много времени (порядка двух часов) и громоздкое лабораторное оборудование. ДНК в образце нужно амплифицировать, то есть увеличить количество копий нужного фрагмента. Для этого нужно сперва «расплести» двойную спираль, нагрев образец до 94–98°С, а затем остудить до температуры, при которой полимераза достроит каждую из двух полуцепочек ДНК до целой. Чтобы достичь необходимой для обнаружения концентрации, циклы нагрев-охлаждения необходимо провести более 30 раз. Фотонная ПЦР является модификацией классического метода — в ней используют фототермический эффект, то есть способность некоторых материалов преобразовывать энергию светового излучения в тепловую. Таким образом, нагреть образец можно, осветив его светодиодом, а охладить с помощью простого обдува вентилятором. Помимо того, что термостатирующее оборудование становится ненужным, новый подход еще и гораздо быстрее.
Для проведения фотонной ПЦР биоматериал помещают на небольшие подложки, на которые нанесены тонкие золотые пленки или наночастицы. При освещении фотоны возбуждают электроны поверхностного слоя металла, а из-за сильной связи с ионами кристаллической решетки их энергия быстро (порядка 10 пикосекунд) переходит в тепловую. В перспективе чипы для проведения фотонной ПЦР могут использоваться для быстрых тестов на различные инфекции, причем результат можно будет получить прямо в кабинете врача, не отправляя образец в лабораторию. Пока же этому мешает сложность их изготовления, в ходе которого применяют, например, литографические методы. Для этого требуется высокоточное лабораторное оборудование, и цена изделия получается высокой.
Чтобы преодолеть эти недостатки, ученые из Южной Кореи и Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ создали многослойную подложку, используя исключительно методы нанесения из растворов. Помимо золотых наночастиц, исследователи применили двумерный материал карбид-титановый максен. Название «максены» такие материалы получили из-за своего строения Mn+1XnTx — в них чередуются атомы металла (М) и X-элементов (углерода, азота и, в редких случаях, кислорода), а так называемый терминирующий слой T может состоять из атомов кислорода, фтора, хлора, водорода и др.
Рисунок 1. Строение карбид-титанового максена (Ti3C2Tx). Wikipedia, Mxenes
Максены, подобно графену и золоту, обладают фототермическим эффектом и, кроме того, хорошо растворяются в воде — это дает возможность наносить их на поверхность, как краску из распылителя. Кроме того, в двумерном материале свет испытывает многочисленные внутренние отражения, что увеличивает эффективность поглощения излучения. Эти свойства навели исследователей на идею собрать «сэндвич» металл-изолятор-металл (MИM), проложив между слоем золотых наночастиц и карбид-титановым максеном слой оксида кремния в качестве диэлектрика. Такие МИМ-структуры применяют в различных электронных устройствах, включая резисторы, переключатели и сенсоры.
«Расчеты показали, что синергия максенов с золотыми наночастицами позволяет создать практически идеальный поглотитель света в виде МИМ-структур c сильным фототермическим эффектом, — поясняет Александр Барулин, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ. — Изготовление такого рода структур может быть потенциально масштабируемо в виде чипов, а их применение позволит ускорить определение ДНК патогенов ввиду эффективного и быстрого нагрева для проведения этапов денатурации во время ПЦР».
В ходе экспериментов ученые смогли увеличить концентрацию ДНК в образце, нанесенном на чип, всего за десять циклов нагрева-охлаждения, что заняло около пяти минут. В качестве источника света использовали ИК-светодиод, по факту заменив им лабораторный амплификатор.
Рисунок 2. Схема строения ПЦР-чипа и графическое представление фототермического эффекта. Источник: Laser Photonics Reviews
Александр Барулин: «Наблюдение быстрых циклов нагрева-охлаждения с помощью термопары и скорой амплификации ДНК c помощью флуоресцентной микроскопии подтверждает практическую значимость подобных чипов для проведения ПЦР».
Рисунок 3. Продолжительность реакции в зависимости от количества циклов нагрева и изображения, полученные в ходе флуоресцентной микроскопии. Источник: Laser Photonics Reviews
В удаленной перспективе наборы чипов для фотонной ПЦР можно поставить в скромно оборудованных небольших поликлиниках в качестве экспресс-тестов на различные инфекции. Вместо расплывчатых «ОРВИ», «ОРЗ» или «кишечная инфекция» врач, не выходя из кабинета, выставит точный диагноз, что поможет подобрать более эффективное лечение.
______________________________
В рамках соглашения МФТИ с Министерством науки и высшего образования РФ № 075-15-2024-622 в лаборатории контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ были выполнены расчеты по локализации электромагнитных полей и поглощения в МИМ-структурах.
