Биочип может обнаруживать множественные вирусы, раковые образования или токсины за считанные минуты

Кремниевый массив выявляет присутствие крошечных молекул ДНК — и, возможно, других типов молекул.

Экспресс-тесты на COVID-19 позволили многим людям из первых рук оценить ценность быстрой и дешевой диагностики. Теперь исследователи показали, как проводить тысячи быстрых молекулярных анализов одновременно, используя свет для идентификации молекул-мишеней, расположенных поверх массива крошечных кремниевых блоков. Теоретически с помощью этого инструмента можно обнаружить 160 000 различных молекул на одном квадратном сантиметре пространства. Разработанная для обнаружения фрагментов генов вируса SARS-CoV-2 и других инфекционных организмов, технология также должна быть способна идентифицировать белковые маркеры рака и небольшие молекулы, указывающие на токсические угрозы в окружающей среде.

“Эта технология может сыграть большую роль в том, как мы обнаруживаем что-либо в окружающей среде”, - говорит Крис Шолин, молекулярный биолог, президент и исполнительный директор Научно-исследовательского института Монтерей-Бей. Инструмент также может быть полезен в клинической диагностике, добавляет он, хотя у него уже есть несколько конкурирующих технологий, которые широко используются.

Генетические тесты не являются чем-то новым. Большинство этих технологий основаны на измерении поглощения света или излучения молекулами-зондами, адаптированными для захвата целевого гена.

Исследователи разработали целый ряд более чувствительных технологий. "Однако прежние сенсоры не могли обнаружить широкий спектр целевых молекул", от очень низкого до очень высокого их содержания, - говорит Дженнифер Дионн (Jennifer Dionne), прикладной физик из Стэнфордского университета.

В надежде обойти эти проблемы Дионн и ее коллеги обратились к оптическому методу обнаружения, основанному на метаповерхностях, массивах крошечных кремниевых коробочек — каждая высотой примерно 500 нанометров, длиной 600 нанометров и шириной 160 нанометров, — которые фокусируют ближний инфракрасный свет на своей верхней поверхности. Такая фокусировка позволяет простому оптическому микроскопу легко обнаружить сдвиг длины волны света, исходящего от каждого кремниевого блока, который варьируется в зависимости от того, какие молекулы расположены сверху.

Чтобы проверить идею, исследователи привязали одноцепочечные фрагменты генов длиной 22 нуклеотида к кремниевым блокам и погрузили матрицу в буферный раствор. Когда они добавили в раствор комплементарные нити ДНК, нити быстро связались с привязанными, изменив длину волны света, излучаемого поверхностью каждого блока. Дионн и ее коллеги сообщают, что их установка может обнаруживать присутствие всего 4000 копий целевых генов на микролитр, результат, который они опубликовали на прошлой неделе.

Такая концентрация обычно присутствует в назальном образце человека, инфицированного вирусом SARS-CoV-2. По словам Дионн, этот метод может позволить врачам выявлять вирусные инфекции без предварительной амплификации генетического материала пациента. Не менее важно, отмечает она, что массив может быть разработан таким образом, чтобы показывать количество связанной ДНК мишени, что позволит в считанные минуты определить не только наличие конкретного вируса, но и интенсивность инфекции. Такая информация может помочь врачам подобрать оптимальное лечение. Существующие в настоящее время тесты также способны решать подобные задачи, но для амплификации генетического материала и количественной оценки результатов обычно требуется несколько часов.

Шолин утверждает, что технология может найти более широкое применение для отслеживания молекул за пределами лаборатории или кабинета врача. Например, ученые-экологи в настоящее время используют генетические зонды для обнаружения токсичных водорослей в водоемах. Но для этого обычно требуется дополнительная обработка для амплификации целевых генов и последующего тестирования их количества, что может занять несколько часов, а то и дней лабораторной работы.

В такой ситуации скорость новой методики может стать решающим фактором, считает Шолин. Другой интересный вариант, по его словам, заключается в привязке антител к кремниевым боксам. Это позволит исследователям напрямую захватывать соответствующий антиген, будь то токсин или белковый маркер заболевания. Он надеется использовать детекторы Стэнфордской группы, чтобы проверить, смогут ли они обнаруживать микробные токсины в воде прямо на лету. "Это окажет реальное влияние на людей, экологию и дикую природу", - говорит он.

Дионн и ее коллеги создали компанию Pumpkinseed Bio для коммерциализации своих новых детекторов, специально предназначенных для обнаружения мельчайших уровней белков и других молекул, которые не могут быть легко усилены, чтобы облегчить их обнаружение. А поскольку для обнаружения отдельных целевых молекул потребуется лишь небольшое количество кремниевых блоков, исследователи смогут создавать массивы для одновременного отслеживания множества биомаркеров заболеваний. "Мы надеемся одновременно изучать множество заболеваний", - говорит Джек Ху, бывший аспирант лаборатории Дионна и руководитель нового стартапа. "Таково наше видение".