Нагрев и охлаждение светом приводят к сверхбыстрой диагностике ДНК
Новая технология, разработанная биоинженерами Калифорнийского университета в Беркли, обещает сделать рабочий лабораторный инструмент дешевле, портативнее и во много раз быстрее за счет ускорения нагрева и охлаждения генетических образцов с помощью включения света.
Эта турбонаддувная термоциклизация, описанная в статье, которая будет опубликована в журнале Light: Science & Application, значительно расширяет клинические и исследовательские возможности теста полимеразной цепной реакции (ПЦР), предоставляя результаты за минуты вместо часа или более.
Тест ПЦР, который амплифицирует одну копию последовательности ДНК для получения тысяч или миллионов копий, стал жизненно важным в геномных приложениях — от исследований клонирования до судебного анализа и тестов на отцовство. ПЦР используется для ранней диагностики наследственных и инфекционных заболеваний, а также для анализа древних образцов ДНК мумий и мамонтов.
Огромное влияние теста ПЦР на современную науку было признано в 1993 году присуждением Нобелевской премии по химии его изобретателям Кэри Маллису и Майклу Смиту.
Используя светодиоды (LED), исследователи смогли нагревать электроны на границе раздела тонких пленок золота и раствора ДНК. Скорость нагрева раствора составила около 55 градусов по Фаренгейту в секунду. Скорость охлаждения была столь же впечатляющей — около 43,9 градусов в секунду.
«ПЦР — мощный и широко используемый во многих областях метод, но существующие системы ПЦР относительно медленные, — сказал старший автор исследования Люк Ли, профессор биоинженерии. — Обычно её проводят в лаборатории, потому что традиционный нагреватель для этого теста требует много энергии и дорог. Поскольку на выполнение каждого теста уходит час или больше, он непрактичен для диагностики у постели больного. Наша система может дать результаты в течение нескольких минут».
Замедление в традиционных тестах ПЦР происходит из-за времени, необходимого для нагрева и охлаждения раствора ДНК. Тест ПЦР требует повторяющихся изменений температуры — в среднем 30 термоциклов при трех разных температурах — для амплификации генетической последовательности. Этот процесс включает разделение двуцепочечной ДНК и связывание одноцепочечной ДНК с соответствующим праймером. С каждым циклом нагрева-охлаждения количество образца ДНК удваивается.
Чтобы ускорить этот термоциклинг, Ли и его команда воспользовались плазмоникой — взаимодействием между светом и свободными электронами на поверхности металла. При воздействии света свободные электроны возбуждаются и начинают колебаться, генерируя тепло. Когда свет выключается, колебания и нагрев прекращаются.
Золото, как оказалось, популярный металл для этого плазмонного фототермического нагрева, потому что оно очень эффективно поглощает свет. Дополнительное преимущество в том, что оно инертно для биологических систем, поэтому может использоваться в биомедицинских приложениях.
Для экспериментов исследователи использовали тонкие пленки золота толщиной 120 нанометров (примерно ширина вируса бешенства). Золото наносили на пластиковый чип с микрофлюидными лунками для удержания ПЦР-смеси с образцом ДНК.
Источником света была матрица из готовых светодиодов, расположенных под ПЦР-лунками. Пиковая длина волны синего светодиодного света составляла 450 нанометров, настроенная для наиболее эффективного преобразования света в тепло.
Исследователям удалось провести 30 циклов от 131 до 203 градусов по Фаренгейту менее чем за пять минут.
Они протестировали способность фотонной ПЦР-системы амплифицировать образец ДНК и обнаружили, что результаты хорошо сравнимы с традиционными ПЦР-тестами.
«Эта фотонная ПЦР-система быстрая, чувствительная и недорогая, — сказал Ли, который также является содиректором Berkeley Sensor and Actuator Center. — Её можно интегрировать в сверхбыстрый чип для геномной диагностики, который мы разрабатываем для практического использования в полевых условиях. Поскольку эта технология дает результаты у постели больного, мы можем использовать её в самых разных условиях — от сельских районов Африки до отделения неотложной помощи больницы».