Исследователи из Калифорнийского технологического института разработали инновационную технологию на основе ДНК-оригами, которая может радикально изменить подход к обнаружению биомаркеров. Новый метод позволяет быстро определять наличие белков в биологических жидкостях без необходимости отправлять образцы в лабораторию.
В основе технологии лежит концепция ДНК-оригами, впервые представленная Полом Ротемундом в 2006 году. Тогда ученому удалось создать «миниатюрные улыбающиеся лица из ДНК» размером около 100 нанометров и толщиной 2 нанометра. Техника ДНК-оригами обеспечивает контроль над молекулярными структурами на наноуровне, используя самосборку цепей ДНК. Длинная цепь ДНК («каркас») комбинируется с сотнями коротких комплементарных «скоб», которые складывают каркас в желаемую форму.
Недавно в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences была опубликована статья «Модульное электрохимическое обнаружение ДНК и белков на основе ДНК-оригами», описывающая новый прорыв в этой области. Ведущими авторами работы стали Бён-джин Джеон, бывший постдокторант Калтеха, и Маттео М. Гуарески, нынешний аспирант института, работающие в лаборатории Ротемунда. В исследовании также принимали участие Джейми М. Стюарт из UCLA, Эмили Ву и Ашвин Гопинат из MIT, Нецауалькойотль Арройо-Куррас из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса, Филипп Дофин-Дюшарм из Университета Шербрука в Канаде, Филип С. Лукеман из Университета Св. Иоанна в Нью-Йорке и Кевин В. Плаксо из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Новая разработка представляет собой плоскую круглую структуру, напоминающую кувшинку, диаметром около 100 нанометров. Эта «кувшинка» соединена с золотым электродом с помощью ДНК-линкера. Как на «кувшинке», так и на электроде размещены короткие цепи ДНК, способные связываться с целевой молекулой (аналитом). Когда аналит связывается, он притягивает «кувшинку» к золотой поверхности.
Ключевым элементом системы являются 70 молекул-репортеров (редокс-активных молекул), расположенных на «кувшинке». Когда они оказываются достаточно близко к электроду, происходит редокс-реакция – молекулы теряют электроны, создавая электрический ток. Сила тока прямо пропорциональна количеству аналита, что позволяет не только обнаруживать, но и количественно определять присутствие целевых молекул.
В отличие от предыдущего подхода к биосенсорам, разработанного под руководством Кевина В. Плаксо и использовавшего одиночную цепь ДНК, новый метод имеет значительные преимущества. «Кувшинка» из ДНК-оригами больше одиночной цепи и может вместить 70 репортеров, что значительно усиливает сигнал. Кроме того, система держит репортеры вдали от поверхности до момента связывания аналита, что обеспечивает сильный, легко обнаруживаемый сигнал и позволяет работать с более крупными молекулами, такими как белки.
Исследователи продемонстрировали универсальность своей системы, используя короткие цепи ДНК на «кувшинке» и электроде в качестве адаптеров для обнаружения различных белков. Например, добавление биотина позволяет обнаруживать стрептавидин (белок, связывающийся с биотином), а добавление ДНК-аптамера – определять наличие фактора роста тромбоцитов BB (PDGF-BB), который связан с такими заболеваниями, как цирроз и воспалительные заболевания кишечника. «Мы просто добавляем эти простые молекулы в систему, и она готова обнаруживать что-то новое,» – объясняет Гуарески.
Одним из самых значительных преимуществ новой технологии является возможность многократного использования сенсора. Добавляя новые адаптеры, можно перенастраивать систему для различных типов обнаружения. В настоящее время наблюдается некоторая деградация сенсора со временем, но он может быть использован повторно не менее четырех раз. В будущем эта технология может найти применение в протеомике, позволяя измерять сотни белков в течение нескольких часов путем замены аналитов и повторных измерений на одной и той же сенсорной системе.
Изображение носит иллюстративный характер
В основе технологии лежит концепция ДНК-оригами, впервые представленная Полом Ротемундом в 2006 году. Тогда ученому удалось создать «миниатюрные улыбающиеся лица из ДНК» размером около 100 нанометров и толщиной 2 нанометра. Техника ДНК-оригами обеспечивает контроль над молекулярными структурами на наноуровне, используя самосборку цепей ДНК. Длинная цепь ДНК («каркас») комбинируется с сотнями коротких комплементарных «скоб», которые складывают каркас в желаемую форму.
Недавно в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences была опубликована статья «Модульное электрохимическое обнаружение ДНК и белков на основе ДНК-оригами», описывающая новый прорыв в этой области. Ведущими авторами работы стали Бён-джин Джеон, бывший постдокторант Калтеха, и Маттео М. Гуарески, нынешний аспирант института, работающие в лаборатории Ротемунда. В исследовании также принимали участие Джейми М. Стюарт из UCLA, Эмили Ву и Ашвин Гопинат из MIT, Нецауалькойотль Арройо-Куррас из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса, Филипп Дофин-Дюшарм из Университета Шербрука в Канаде, Филип С. Лукеман из Университета Св. Иоанна в Нью-Йорке и Кевин В. Плаксо из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Новая разработка представляет собой плоскую круглую структуру, напоминающую кувшинку, диаметром около 100 нанометров. Эта «кувшинка» соединена с золотым электродом с помощью ДНК-линкера. Как на «кувшинке», так и на электроде размещены короткие цепи ДНК, способные связываться с целевой молекулой (аналитом). Когда аналит связывается, он притягивает «кувшинку» к золотой поверхности.
Ключевым элементом системы являются 70 молекул-репортеров (редокс-активных молекул), расположенных на «кувшинке». Когда они оказываются достаточно близко к электроду, происходит редокс-реакция – молекулы теряют электроны, создавая электрический ток. Сила тока прямо пропорциональна количеству аналита, что позволяет не только обнаруживать, но и количественно определять присутствие целевых молекул.
В отличие от предыдущего подхода к биосенсорам, разработанного под руководством Кевина В. Плаксо и использовавшего одиночную цепь ДНК, новый метод имеет значительные преимущества. «Кувшинка» из ДНК-оригами больше одиночной цепи и может вместить 70 репортеров, что значительно усиливает сигнал. Кроме того, система держит репортеры вдали от поверхности до момента связывания аналита, что обеспечивает сильный, легко обнаруживаемый сигнал и позволяет работать с более крупными молекулами, такими как белки.
Исследователи продемонстрировали универсальность своей системы, используя короткие цепи ДНК на «кувшинке» и электроде в качестве адаптеров для обнаружения различных белков. Например, добавление биотина позволяет обнаруживать стрептавидин (белок, связывающийся с биотином), а добавление ДНК-аптамера – определять наличие фактора роста тромбоцитов BB (PDGF-BB), который связан с такими заболеваниями, как цирроз и воспалительные заболевания кишечника. «Мы просто добавляем эти простые молекулы в систему, и она готова обнаруживать что-то новое,» – объясняет Гуарески.
Одним из самых значительных преимуществ новой технологии является возможность многократного использования сенсора. Добавляя новые адаптеры, можно перенастраивать систему для различных типов обнаружения. В настоящее время наблюдается некоторая деградация сенсора со временем, но он может быть использован повторно не менее четырех раз. В будущем эта технология может найти применение в протеомике, позволяя измерять сотни белков в течение нескольких часов путем замены аналитов и повторных измерений на одной и той же сенсорной системе.
