Генное редактирование и создание ДНК-библиотек — благодаря современным генетическим технологиям ученые разрабатывают не только препараты для лечения заболеваний, но и новые методы диагностики. Например, особые фрагменты ДНК помогают специалистам находить вирусы и опасные бактерии.
Подобным образом действует новый сверхчувствительный биосенсор на основе ДНК-аптамеров, предложенный сотрудниками химического факультета МГУ. Он способен обнаружить искомую частицу буквально за 15 минут. В чем уникальность этой разработки, что такое аптамеры и с какими трудностями сталкиваются генетики?
Проект ведется при поддержке Российского научного фонда (РНФ).
Легкая мишень
Аптамеры — это короткие фрагменты ДНК, отличающиеся крайне полезным свойством. Благодаря своей уникальной структуре они могут связываться с белками, бактериями, вирусами и даже целыми клетками. Такая способность позволяет применять эти молекулы в терапии, диагностике и системе доставки лекарств, «нацеливая» их на конкретные мишени.
Обычно ученые создают аптамеры в лабораторных условиях: выбирают из огромных библиотек ДНК-фрагментов те, которые хорошо соединяются с нужной молекулой. Затем их наносят на поверхность наночастиц серебра — и биосенсор готов.
«Под каждую мишень, например, какой-нибудь вирус, разрабатывается свой аптамер, при этом он не должен связываться с другими вирусами. Если мы хотим найти несколько разных вирусов, размещаем на каждой зоне металлических наночастиц особые аптамеры, и каждый из них будет ловить только один тип вирусов».
— объясняет Елена Завьялова, автор проекта, доцент кафедры химии природных соединений химического факультета МГУ, доктор химических наук.
На практике биосенсор действует следующим образом: сначала его помещают в пробирку с биологической жидкостью, а затем измеряют сигнал с помощью специального устройства, рамановского спектрометра. С его помощью ученые могут найти и изучить вирусы, которые прикрепились к частицам. Если вирус есть — подается сигнал: спектр видимого света на молекуле становится более насыщенным.
Такая тест-система, как отмечают исследователи, позволяет выследить вирус гораздо быстрее, чем стандартные методы.
«Мы брали мазок из носа у здорового человека, а также плазму крови, и добавили туда вирусы гриппа типа A и коронавирус. На этих образцах нам удалось определить опасные организмы всего за 15 минут, в то время как анализ ПЦР обычно занимает больше времени, порядка двух часов»
— подчеркивает эксперт.
В будущем, по словам специалиста, спектр вирусов для этого метода можно расширить, например, искать с его помощью онкомаркеры.
Воплотить в жизнь
Работа над этим проектом ведется на базе химического факультета МГУ уже более пяти лет. Изначально команда ученых занималась разработкой так называемых терапевтических олигонуклеотидов — коротких фрагментов ДНК или РНК, применяющихся в медицине.
Продолжить исследования в новом направлении помогли сотрудники Института физики твердого тела РАН (группа кандидата физико-математических наук Кукушкина В.И.). Коллеги предложили собрать на основе ДНК-фрагментов биосенсор и проверить его эффективность на созданном в институте рамановском спектрометре. На момент разработки исследований, в которых аптамеры использовались в комбинации с таким физическим методом, было немного. Ученые МГУ оказались в числе первых.
«Наш сенсор показал довольно низкий предел обнаружения: от десяти до тысячи вирусных частиц в миллилитре, что сопоставимо с возможностями ПЦР. Иными словами, для того, чтобы найти вирус или бактерию, нам нужно минимальное содержание определяемого вещества в пробе, сигнал от которого можно надежно отличить от фона», — рассказывает спикер.
Теория узнавания
С этой разработкой связано другое интересное исследование, которым занимаются специалисты. Дело в том, что ДНК-аптамеры показали свою эффективность и их структура хорошо изучена, однако не до конца понятно, почему некоторые из них соединяются с мишенями (в том числе белками, бактериями и вирусами) лучше других. Такую способность связываться — аффинность — ученые решили исследовать на фундаментальном уровне.
Мы не можем создать аптамер, пользуясь только данными о структуре белка. Как правило, необходимо еще и проводить эксперимент по селекции: подбирать подходящие участки из тысяч, а то и миллионов последовательностей ДНК. Но научиться делать подбор вычислительными методами, конечно, хотелось бы. Поэтому в своей работе я попыталась выяснить, почему у одних аптамеров аффинность больше, а у других меньше», — рассказывает химик.
Ученые пришли к выводу, что на прочную связь может влиять не только исходная структура молекул. Но и их способность перераспределять энергию, возникающую в ходе образования комплекса из аптамера и мишени. Такая энергия появляется именно в момент их взаимодействия.
Однако увидеть воочию, как две молекулы узнают друг друга и что происходит в момент их слияния, исследователи пока не могут — события происходят слишком быстро, а эксперименты позволяют следить за такими процессами лишь косвенно. Подтвердить теорию и приблизиться к разгадке можно только с помощью вычислительных методов, для которых нужны большие мощности.
Ответить на вызовы
В ожидании этих возможностей уже сейчас можно точно сказать: наука далеко продвинулась в сфере генетических технологий. Теоретические основы тщательно разработаны, да и особых ограничений в реализации нет. Но по мере развития направления возникают и новые задачи.
Одна из них — найти оптимальные способы доставки генов, добиться того, чтобы после их внедрения клетки стабильно работали.
Другая проблема заключается в конечной стоимости продукта. Поскольку синтез и исследования препаратов на основе ДНК требуют больших затрат, то и цена у таких лекарств пока остается высокой. Чтобы сделать разработки доступнее, нужно искать и более доступные методы синтеза.
«Кроме того, важно наладить в стране производство исходных веществ для синтеза нуклеиновых кислот. Особенно учитывая, что у нас все больше разработок создается на основе ДНК. При этом стоит обратить внимание на качество реактивов. Чем меньше примесей, тем больше продукта по итогу работы мы получим», — поясняет Елена Завьялова, добавив, что в ближайшие годы потенциал у подобных исследований будет только расти.
Но чтобы использовать его в полную силу и добиться высоких результатов в генетических технологиях, по мнению эксперта, необходимо объединить усилия государства, науки и промышленности.
Лабораторное оборудование
Спроектируем научную лабораторию с нуля!
Оборудование для молекулярной и генетической лаборатории