Новые биосенсоры обнаруживают единичные молекулы с помощью нанопоры и рамок из ДНК

Ранняя диагностика заболеваний важна для своевременного лечения, но быстрое определение малых концентрации молекул в небольшом объеме клинического образца связано с большими техническими сложностями. Один из подходов к решению проблемы — использование нанопор. В этом случае детекция происходит за счет изменения электрической проводимости нанопоры при взаимодействии с маркером. Однако диаметр нанопоры гораздо больше размера детектируемой молекулы, которая к тому же движется с большой скоростью, в результате сигнал получается слабым и зашумленным. Кроме того, многие белки дают очень похожие сигналы, которые трудно различить.

Авторы работы, опубликованной в Nature Communications, решили использовать для решения этой задачи ДНК-оригами — большие устойчивые наноструктуры, полученные в результате складывания ДНК в определенную геометрию. В одной из предыдущих работ та же группа авторов показала, что стеклянные нанопоры могут детектировать двумерные ДНК-оригами, и проводимость нанопор меняется в зависимости от геометрии ДНК-структуры. Более конкретно, если плоская ДНК-оригами имеет форму сплошного прямоугольника, детектируется один пик, а если в центре прямоугольника имеется полость (такие структуры авторы называют «рамками»), то пик становится двойным.

Ученые предположили, что для детекции определенного биомаркера нужно создать такую ДНК-рамку, с которой бы избирательно связывался этот биомаркер. Его может удерживать в полости рамки специфический к нему фрагмент ДНК (такие фрагменты, связывающиеся с определенными мишенями, называют ДНК-аптамерами). Наличие или отсутствие молекулы в полости легко можно было бы обнаружить при анализе пиков ионного тока. Таким образом, ДНК-оригами сыграют роль адапторов, которые преодолевают разрыв в размерах между детектируемой молекулой и порой.

Сначала авторы работы проверили, как зависит вид пика от размера полости: оказалось, что чем больше полость, тем сильнее раздвоен пик. Таким образом, если с полостью связывается биомаркер и уменьшает ее размер, можно будет увидеть превращение двойного пика в одинарный.

В качестве проверки концепции был поставлен эксперимент с С-реактивным белком, маркером воспаления. Действительно, с ростом концентрации этого белка в растворе росло и число одиночных пиков на графике. Однако исследователи замечают, что необходим более точный метод классификация различных событий, наблюдаемых на графике, так как среди них есть и более неопределенные, промежуточные состояния. Метод был также опробован не только на водном растворе, но и в разбавленной плазме крови — биологической жидкости сложного состава, и показал схожие результаты.

Таким образом, предложена платформа, способная детектировать биомаркеры в клинических образцах на уровне одной молекулы. Как отмечает Паоло Актис, один из руководителей исследования, платформа «может быть миниатюризована, так как для ее работы нужно только электричество, что дает возможность использования в местах оказания медицинской помощи».