Международная команда ученых 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 престижном научном 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.
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.
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.
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.
Изображение: схема строения ПЦР-чипа и графическое представление
фототермического эффекта. Источник: МФТИ
