Биочип для будущих пандемий может тестировать десятки вирусных антигенов одновременно
В 2020 году, когда учёные по всему миру спешили понять COVID-19, профессор Рой Бар-Зив и его команда из Института Вейцмана начали разработку ДНК-чипа. Этот чип может не только быстро показать, как наша иммунная система реагирует на коронавирус, но и открыть новые возможности для быстрого реагирования на будущие вирусные вспышки.
Генетически запрограммированный, бесклеточный биочип, описанный в недавней статье в Nature Nanotechnology, может быстро синтезировать, картировать и тестировать белки. Это позволяет определять, как антитела взаимодействуют с вирусами. Он предоставляет данные быстрее традиционных методов и показывает, на какие фрагменты вируса нацелены антитела и насколько прочно они с ними связываются.
Как работает биочип и его преимущества
Метод не требует насосов или трубок и может быть быстро адаптирован для нового вируса. Использование биочипа не требует готовых белков; вместо этого они синтезируются чипом непосредственно на его кремниевой поверхности.
Каждый участок на чипе содержит небольшой участок напечатанной ДНК, несущей генетические инструкции для конкретного вирусного белка или его фрагмента (например, принадлежащих нескольким вариантам коронавируса). Когда исследователи добавляют бесклеточную смесь биологических молекул, типичных для клеток, эта ДНК транслируется непосредственно в соответствующий белок.
Каждый биочип может производить 30–40 вирусных белков или фрагментов. Он использует около 1 микролитра сыворотки (меньше капли), чтобы выявить иммунный «отпечаток» человека по десяткам вирусных мишеней (антигенов). Поскольку каждый антиген находится в разном положении на чипе, команда может отдельно измерить, сколько антител связывается с каждым из них.
Измерение иммунного ответа и потенциальное применение
Из взаимодействий между этими белками и антителами исследователи могут определить силу связывания (аффинность) — насколько прочно антитело захватывает свою мишень. Более сильное связывание обычно означает более эффективную иммунную защиту.
Команда сравнила данные своего биочипа с результатами стандартного теста ELISA на образцах человеческой сыворотки. Они обнаружили, что их чип часто выявлял активность антител, которую стандартные тесты ELISA пропускали.
Команда использовала эту систему для тестирования взаимодействий между белками COVID-19 и человеческими антителами против вируса. «Мы увидели очень уникальные иммунные сигнатуры у разных людей», — говорит Бар-Зив. Поскольку чип помогает понять глубинные реакции разных людей на вирус, можно также определить, могут ли изменения в новом варианте сделать их антитела менее эффективными.
Демонстрация более широкого потенциала чипа
Чтобы продемонстрировать потенциал чипа, команда воссоздала взаимодействие между спайк-белком коронавируса и его человеческим рецептором ACE2 — шаг, который позволяет вирусу проникать в клетки человека. И спайк-белок, и рецептор были произведены на чипе и специфически связались друг с другом. Это говорит о том, что платформу можно использовать для скрининга потенциальных терапий прямо на чипе, добавляя антитела или другие кандидаты в лекарства, которые блокировали бы это связывание.
Команда начинает сотрудничество с Медицинским центром Шиба для отслеживания иммунных ответов у пациентов с COVID-19 с течением времени с помощью нового чипа. Связывая данные об антителах с историями болезни пациентов, они надеются выявить закономерности иммунитета, которые могут помочь в разработке будущих вакцин.
Следующий шаг — искусственный интеллект. «Мы можем использовать чип для анализа последовательностей антител, спроектированных на компьютере, и тестирования их свойств за очень короткое время», — говорит Бар-Зив. «Чип может сделать процесс проектирования с помощью ИИ быстрее и точнее».
Бар-Зив представляет будущее, в котором этот инструмент обеспечивает ответ на пандемию в реальном времени. «Если завтра возникнет новая вспышка, мы могли бы взять генетическую последовательность этого вируса, сделать его белки на чипе и немедленно протестировать антитела. Это невероятно мощный инструмент для готовности».