Новый инструмент может легко обнаружить маркер ракового белка и вирусы

Checked_Mis/iStock

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Исследователи разработали крошечный биочип, состоящий из кремниевых блоков, который потенциально может проводить быстрый генетический скрининг тысяч молекул.

Согласно отчету Science, этот инструмент мог бы идентифицировать более 160 000 различных молекул на одном квадратном сантиметре пространства.

Эта инновационная технология имеет применение в широком спектре медицинских областей, включая обнаружение маркеров раковых белков и клиническую диагностику респираторных инфекций.

Большинство датчиков для генетических тестов контролируют поглощение или излучение света целевыми молекулами, предназначенными для связывания с целевым геном.

В этих методах используется полимеразная цепная реакция для создания многочисленных копий мишени перед попыткой ее идентификации, что увеличивает стоимость и продолжительность тестирования.

Более того, предыдущие датчики генетического скрининга были неспособны идентифицировать широкий спектр целевых соединений и требовали оптической маркировки для обнаружения целевых последовательностей.

Авторы Стэнфордского университета написали в исследовании: «Мы представляем платформу генетического скрининга без меток, основанную на высококачественных (высокодобротных) кремниевых наноантеннах, функционализированных фрагментами нуклеиновых кислот».

Для разработки этого инструмента ученые использовали технологию оптического обнаружения, основанную на метаповерхностях, состоящих из небольших кремниевых коробочек. Эти крошечные кремниевые массивы имеют размеры примерно 500 нанометров в высоту, 600 нанометров в длину и 160 нанометров в ширину.

Силиконовые коробки могут фокусировать ближний инфракрасный свет на своей верхней поверхности благодаря наноантеннам. «Эти метаповерхности состоят из субволновых наноантенн, которые сильно ограничивают свет в ближнем поле, обеспечивая при этом точный контроль над рассеянием в дальнем поле», — поясняет исследование.

По данным Science, этот подход позволяет с помощью обычного оптического микроскопа измерять сдвиг длины волны света, исходящего от каждого кремниевого блока, который варьируется в зависимости от молекул наверху коробок.

Чтобы протестировать инструмент, исследователи прикрепили одноцепочечные фрагменты гена длиной 22 нуклеотида к силиконовым коробкам и погрузили массив в буферный раствор.

Когда комплементарные цепи ДНК вводились в раствор, они сразу же присоединялись к связанным, сдвигая длину волны света, излучаемого поверхностью каждого ящика.

По словам автора, этот инструмент может легко идентифицировать 4000 копий целевых генов на микролитр.

Результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.

Аннотация исследования:

Методы генетического анализа имеют основополагающее значение для развития персонализированной медицины, ускорения диагностики заболеваний и мониторинга здоровья организмов и экосистем. Современные технологии нуклеиновых кислот, такие как полимеразная цепная реакция (ПЦР) и секвенирование нового поколения (NGS), основаны на амплификации образцов и могут страдать от ингибирования. Здесь мы представляем платформу генетического скрининга без меток, основанную на высококачественных (высокодобротных) кремниевых наноантеннах, функционализированных фрагментами нуклеиновых кислот. Каждая высокодобротная наноантенна имеет средний резонансный коэффициент качества 2200 в физиологическом буфере. Мы количественно обнаруживаем два фрагмента гена: конверт SARS-CoV-2 (E) и открытую рамку считывания 1b (ORF1b) с высокой специфичностью посредством гибридизации ДНК. Мы также демонстрируем фемтомолярную чувствительность в буфере и наномолярную чувствительность в введенных в носоглотку элюатах в течение 5 минут. Наноантенны имеют плотность 160 000 устройств на см2, что позволит в будущем работать над высокомультиплексным обнаружением. В сочетании с достижениями в области комплексной обработки образцов наша работа обеспечивает основу для быстрых, компактных и не требующих амплификации молекулярных анализов.