Международные ученые из Южной Кореи и МФТИ разработали новую платформу для работы с фотонами полимеразной цепной реакции (ПЦР). Благодаря этому удалось сократить время, требуемое для достижения концентрации ДНК, необходимой для анализа, с одного-двух часов до нескольких минут. Также для проведения реакции больше не требуется громоздкое и дорогостоящее оборудование, достаточно одного светодиода. Простые в использовании и недорогие чипы могут быть использованы для создания экспресс-тестов на инфекции. Исследование опубликовано в престижном научном журнале Laser Photonics Reviews.
Открытие метода полимеразной цепной реакции (ПЦР) кардинально изменило медицину, науку и повседневную жизнь людей. Он позволяет определить наличие конкретных последовательностей ДНК в образце, что находит применение в генной инженерии, диагностике заболеваний и криминалистике. Тем не менее, классическая ПЦР требует значительного времени (около двух часов) и предполагает использование сложного лабораторного оборудования. Суть метода заключается в амплификации ДНК, то есть увеличении количества копий целевого фрагмента. Для этого необходимо сначала разрушить двойную спираль ДНК, нагревая образец до 94–98°С, а затем охладить его до температуры, при которой фермент полимераза сможет воссоздать каждую из двух полуцепочек ДНК. Для достижения необходимой концентрации целевого фрагмента требуется повторить циклы нагрева и охлаждения более 30 раз. Фотонная ПЦР представляет собой модификацию классического метода, основанную на использовании фототермического эффекта, то есть способности определенных материалов преобразовывать энергию света в тепло. Следовательно, образец можно нагреть, воздействуя на него светодиодом, а охладить при помощи обычного вентилятора. Благодаря этому, термостатирующее оборудование становится излишним, и сам подход оказывается значительно быстрее.
Биоматериал для проведения фотонной ПЦР размещают на небольших подложках, покрытых тонкими золотыми пленками или наночастицами. Под воздействием света фотоны возбуждают электроны в поверхностном слое металла, а энергия, высвобождаемая из-за прочной связи с ионами кристаллической решетки, быстро (в течение 10 пикосекунд) преобразуется в тепло. В будущем чипы для фотонной ПЦР могут найти применение для экспресс-тестов на различные инфекции, что позволит получать результаты непосредственно в кабинете врача, исключая необходимость отправки образца в лабораторию. Однако, на текущем этапе, этому препятствует сложность производства, включающая, например, использование литографических методов. Для этого необходимо высокоточное лабораторное оборудование, что обуславливает высокую стоимость готового изделия.
Для устранения указанных недостатков ученые из Южной Кореи и Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали многослойную основу, используя только способы нанесения из растворов. В процессе создания исследователи использовали не только золотые наночастицы, но и двумерный материал – карбид-титановый максен. Эти материалы получили название «максены» благодаря своей структуре M n+1XnTx — в них наблюдается чередование атомов металла (М) и X-элементов (углерода, азота, а иногда и кислорода), а терминирующий слой T может формироваться из атомов кислорода, фтора, хлора, водорода и других элементов.
Максены, как и графен с золотом, проявляют фототермический эффект и обладают хорошей водорастворимостью, что позволяет наносить их на поверхность посредством распыления, подобно краске. Благодаря многочисленным внутренним отражениям света в двумерном материале, повышается эффективность поглощения излучения. Используя эти характеристики, ученые предложили создать структуру «сэндвича», состоящую из металла-изолятора-металла (MИM), в которой между слоем золотых наночастиц и максентом карбида титана размещен слой диэлектрика из оксида кремния. Подобные MИM-структуры находят применение в разнообразных электронных устройствах, таких как резисторы, переключатели и сенсоры.
«Результаты расчетов свидетельствуют о том, что сочетание максенов и золотых наночастиц позволяет разработать практически идеальный поглотитель света в виде МИМ-структур, обладающих выраженным фототермическим эффектом, — поясняет Александр Барулин, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ. — Возможность производства подобных конструкций в формате чипов открывает перспективы для масштабирования, а их использование позволит ускорить идентификацию ДНК патогенов благодаря эффективному и оперативному нагреву, необходимому для этапов денатурации в процессе ПЦР».
Ученым удалось повысить концентрацию ДНК в образце, размещенном на чипе, всего за десять циклов нагрева и охлаждения, что потребовало всего пять минут. Для подсветки использовали инфракрасный светодиод, фактически заменив им традиционный амплификатор.
Александр Барулин: «Использование термопары для фиксации быстрых циклов нагрева и охлаждения, а также флуоресцентной микроскопии для ускоренной амплификации ДНК, демонстрирует полезность этих чипов для проведения полимеразной цепной реакции».
В будущем чипы для фотонной ПЦР смогут использоваться в небольших, скромно оборудованных поликлиниках для проведения экспресс-тестов на инфекции. Благодаря этому врачу удастся установить точный диагноз вместо общих формулировок, таких как «ОРВИ», «ОРЗ» или «кишечная инфекция», что позволит подобрать более эффективную терапию.
В соответствии с соглашением между МФТИ и Министерством науки и высшего образования РФ № 075-15-2024-622, расчеты локализации электромагнитных полей и поглощения в МИМ-структурах были проведены в лаборатории контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Информация предоставлена Центром научной коммуникации МФТИ