Портативный детектор ДНК

Исследователь из Национального университета в Сан-Диего применил математический подход к биологической проблеме — разработке портативного детектора ДНК. В статье в International Journal of Nanotechnology он описывает математическую модель, показывающую, как новый тип наноразмерного транзистора может быть сопряжен с ДНК-сенсорной системой для генерации характерного сигнала при обнаружении специфических фрагментов ДНК в образце.

Сэмюэл Афувапе из Национального университета (Сан-Диего, Калифорния) поясняет, что портативный секвенатор ДНК облегчил бы работу экологов на загрязненных участках. Клиницисты и медицинские исследователи могли бы использовать его для диагностики генетических нарушений. Такой сенсор также можно было бы применять для обнаружения биологического оружия или в криминалистике.

Ранние ДНК-биосенсоры использовали флуоресцентные метки, но они были дорогими и медленными. Следующее поколение применяло молекулы-медиаторы для ускорения процесса и меченые ферменты для высокой селективности. Однако ни одна из этих систем не была портативной, и современные исследования направлены на создание систем без молекулярных меток и дорогих реагентов.

Несмотря на широкое распространение ДНК-биосенсоров, их использование обычно ограничено лабораториями. Афувапе утверждает, что коммерчески жизнеспособный портативный ДНК-биосенсор для экологических, медицинских, криминалистических и других применений может стать возможным, если исследователям удастся понять молекулярные механизмы на границе раздела образца и детектора.

Афувапе предлагает интегрировать в ДНК-биосенсор новый тип электронного устройства — полевой транзистор с ионоселективной мембраной (ISFET). Такой сенсор был бы покрыт тысячами известных последовательностей ДНК, способных гибридизоваться со специфическими фрагментами ДНК в медицинском или экологическом образце.

Ключ к работе системы — способность ISFET измерять изменения проводимости. Если сконструировать сенсор так, чтобы процесс гибридизации ДНК был сопряжен с химической реакцией, генерирующей электрический ток, это создавало бы дискретные электронные сигналы. Эти сигналы улавливались бы ISFET. Характерный паттерн сигналов соответствовал бы гибридизации известной последовательности ДНК на сенсоре и, таким образом, указывал на наличие комплементарной ДНК в образце. Математическая работа Афувапе демонстрирует, что в таком сенсоре могут быть использованы различные известные химические реакционные схемы с участием ДНК.

«ISFET оказывается мощной платформой для разработки селективных, чувствительных и быстрых миниатюрных ДНК-сенсоров, — говорит Афувапе. — Такие портативные ДНК-сенсоры найдут широкое применение в медицине, сельском хозяйстве, экологическом мониторинге и обнаружении биологического оружия».