Новая платформа для детекции белков без использования клеток

Инженеры-химики и биоинженеры из Технологического института Джорджии разработали простую, гибкую и удобную в использовании платформу для обнаружения белковых биомаркеров заболеваний, не требующую дорогого лабораторного оборудования.

Эта работа может открыть новую волну домашних тестов и обеспечить новые диагностические возможности в регионах с ограниченными медицинскими ресурсами.

Платформа заполняет пробел в использовании бесклеточной синтетической биологии для диагностики. Существующие бесклеточные инструменты эффективны для измерения ДНК, РНК и других малых молекул, но не белков. Это важный шаг вперед, поскольку белки вирусов или бактерий меняются меньше, чем кодирующие их последовательности ДНК или РНК. Их также легче обнаружить, так как они находятся на внешней стороне клеточных стенок или свободно плавают в биожидкостях.

"Диагностика заболеваний и демократизация медицинской помощи путем передачи ее в руки общественности имеет огромный потенциал. Вы можете оказать большое влияние на многих людей", — сказал Марк Стичински, профессор Школы химической и биомолекулярной инженерии.

Исследователи представили свою разработку в журнале Science Advances. Они описали ее как модульную платформу для бесклеточного белкового биосенсора. "Бесклеточная" означает, что команда использует механизмы, встречающиеся в клетках, но создает их в лаборатории, а не в живых клетках; "модульная" — потому что платформу можно легко адаптировать для обнаружения различных белков.

Инструмент может давать визуальный результат, похожий на тест-полоску для определения pH в бассейне, или предоставлять более точные данные для использования в клинической или исследовательской лаборатории.

"Гибкость была одной из вещей, на которых мы хотели сосредоточиться больше всего... Уровень гибкости, которого мы здесь достигли, довольно поразителен", — сказала Меган Максвини, первый автор исследования.

В своей работе команда успешно обнаружила биомаркер недоедания и белок вируса SARS-CoV-2. Целевые белки в этих двух случаях сильно различались по размеру, что демонстрирует широкий спектр потенциального применения.

Эксперименты показали, что тест работает в объединенных образцах человеческой сыворотки крови и слюны. Ожидается, что сенсорная платформа будет работать и с другими биожидкостями.

"На создание одного латерального потока, каким является ваш домашний тест на COVID, могут уйти годы разработки и потенциально миллионы долларов", — отметил Стичински. Их платформа мощна тем, что для смены мишени достаточно просто изменить несколько компонентов, без необходимости оптимизировать протокол тестирования или заново конструировать все части теста.

Как это работает?

Исследователи используют РНК-полимеразы, которые могут включать и выключать гены. Они присоединяют два фрагмента этих полимераз к очень простым антителам. Эти антитела предназначены для поиска и связывания с определенным белком. Когда это происходит, фрагменты РНК-полимеразы, оказавшиеся рядом, соединяются.

Когда они "щелкают" вместе, РНК-полимераза активирует фермент, который вызывает изменение цвета молекулы красителя. В самой простой версии теста обнаружение целевого белка приводит к появлению спектра цветов — от желтого до оранжевого, красного и темно-фиолетового — в зависимости от количества присутствующего белка.

Для лабораторной версии теста результатом может быть флуоресцентный сигнал, который можно считать с помощью оборудования для более детального анализа.

Модульность теста открывает возможности для его использования в условиях катастроф, службами быстрого реагирования и в военной сфере. Платформа может стать полевым набором, где техники с минимальной подготовкой смогут легко смешивать компоненты теста для обнаружения различных патогенов или биомаркеров.

Исследователи продолжают совершенствовать инструмент. Они работают над обнаружением еще более низких уровней целевых белков и повышением удобства использования платформы. Предварительные работы показали, что она может выдерживать процесс лиофилизации, что устраняет необходимость в специальном хранении или охлаждении. Однако для обеспечения долгосрочной стабильности теста в реальных условиях требуется дополнительная работа.