Наноробот с «руками»

ДНК-машина представляет собой небольшую (20–30 нуклеотидов) ДНК-платформу, к которой привязаны специальные участки ― сами ученые называют их «руками». Всё вместе это похоже на робота: он, приближаясь к цепочке РНК, своими «руками» крепко связывает ее сложносвернутые участки и заставляет их разворачиваться. Происходит это благодаря такому свойству, как комплементарность — то есть способности нуклеиновых кислот притягиваться друг к другу и создавать пары: аденин — тимин и гуанин — цитозин.

Такой метод разворачивания сложно свернутых нуклеиновых кислот позволяет избавиться от сложной процедуры термической амплификации, для которой требуются особые лабораторные условия и специальные термоциклеры. Реакция (или гибридизация, то есть прикрепление одноцепочечных кусочков нуклеиновых кислот друг к другу) происходит в условиях комнатной температуры. Это выгодно отличает предложенный учеными метод от классических ПЦР-тестов.

«РНК или ДНК обычно находятся в свернутом состоянии и разворачиваются только при высоких температурах, что усложняет детекцию целевых фрагментов. ДНК-машины способны без специальных приборов и нагревания выявлять нужные участки — аналиты одноцепочечных РНК, принадлежащие определенным патогенам. ДНК-машины “подбираются к мишени”, обхватывают ее и заставляют нуклеиновую кислоту развернуться», — объясняет сотрудница Международного научного центра SCAMT Университета ИТМО, первый автор исследования Дарья Горбенко.

Для каждого патогена создается своя платформа ― она должна быть устроена так, чтобы не происходило нежелательного скрещивания структурных элементов ДНК-машины с аналитом РНК. Но сделать это достаточно лишь один раз. В базе патогенов у ученых уже есть цитомегаловирус (разновидность герпеса), гемофильная палочка, вызывающая поражение органов дыхания, и листерия моноцитогенес (ответственная за острые пищевые отравления).

Разница между бинарными машинами и мультикомпонентными машинами, предложенными в исследовании. Изображение предоставлено авторами статьи.

Наглядная визуализация

Но главное преимущество исследования, как отмечают его авторы, не только в ДНК-машине (они уже активно используются во всем мире), а в визуализации результатов ее работы. Дизайн каждой ДНК-машины разработан так, чтобы при соединении «рук» с аналитами (кусочками РНК, характерных для того или иного патогена) образуются G-квадруплексы ― трехмерные структуры из четырех цепей нуклеиновых кислот. При добавлении дополнительных химических реагентов (бесцветного субстрата, гемина и перекиси водорода) происходит реакция ― и раствор из прозрачного становится цветным. Как отмечают ученые, такая колориметрическая реакция выгодно отличает тест-систему от того же ПЦР:

«Свойства G-квадруплексов открывают простор для создания простой и наглядной тест-системы: при добавлении специальных реагентов мы получим цветовой сигнал. Мы используем диаминобензидин, гемин и перекись водорода, в этом случае образец окрашивается в темно-коричневый цвет. Если при проведении ПЦР мы не можем ничего детектировать без специального оборудования вроде спектрофотометров, то здесь получается наглядный визуальный сигнал. Можно невооруженным взглядом понять, где есть реакция детекции, а где ее нет», — поясняет Дарья Горбенко.

Весь процесс тестирования с помощью ДНК-машины — от взятия материала и выделения нуклеиновой кислоты до образования G-квадруплекса и получения цветового сигнала — занимает порядка двух-трех часов, но авторы проекта уверены, что это время можно сократить. В будущем всю систему планируется «упаковать» в маленькую герметичную коробочку, которую можно будет использоваться даже дома.

Случайное открытие

Статья об исследовании вышла в престижном научном журнале Chemical Communications, попав при этом в топ-10 срочных публикаций года. Но главное открытие, которое легло в его основу, как признаются сами авторы, произошло случайно, и им еще предстоит до конца объяснить фундаментальные процессы, которые за ним стоят. Дело в том, что метод разворачивания свернутых нуклеиновых кислот неожиданным образом работает не только на одноцепочечных РНК, но и на прочно гибридизованных двухцепочечных ДНК ― раньше их не получалось «разъединить» без воздействия высоких температур (так называемого «отжига»).

«Мы достигли результата, который сами еще до конца не можем осмыслить с фундаментальной точки зрения. Мы проектировали и использовали нашу ДНК-машину для одноцепочечных участков РНК ― то есть тех, которые прекрасно связываются с одноцепочечными “руками” машины по принципу комплементарности: у них действительно выгодный термодинамический потенциал взаимодействия. И то, что наши пробы способны иногда детектировать и двухцепочечный аналит без дополнительных манипуляций вроде отжига, стало для нас сюрпризом. По нашим данным, такой результат не достигался никогда. Почему это происходит — сказать сложно, но предположений у нас много, и мы в данный момент их проверяем», — комментирует Дарья Горбенко.

Подробнее об исследовании: Daria Gorbenko, Liubov Shkodenko, Maria Rubel, Aleksandr Slita, Ekaterina Nikitina, Elvira Martens, Dmitry Kolpashchikov. «DNA nanomachine for visual detection of structured RNA and double stranded DNA». Chemical Communications, 2022.

 

(источник https://news.itmo.ru/ru/science/life_science/news/12538/)