Следы ДНК обнаружены с помощью закрученного света

Структуры, закручивающие свет, позволяют выявить ничтожные количества ДНК с чувствительностью в 50 раз выше, чем у лучших современных методов. Это показало совместное исследование Мичиганского университета и Цзяннаньского университета в Китае.

Высокочувствительное обнаружение ДНК может помочь в диагностике пациентов, раскрытии преступлений и идентификации источников биологических загрязнителей, например, патогена в водоснабжении.

"Не имеет значения, откуда взята целевая ДНК. Чтобы её обнаружить, нам нужно знать лишь небольшую часть её последовательности", — говорит Николас Котов, профессор химической инженерии.

Проблема существующих методов

Современные методы анализа ДНК основаны на копировании её сегментов. Короткие синтетические праймеры присоединяются к расплетённой ДНК и запускают её репликацию. Если праймеры высокоселективны, совпадение можно определить по факту копирования.

Ранее было показано, что малые количества ДНК можно наблюдать, присоединив к праймерам сферические золотые наночастицы. При совпадении последовательности в процессе репликации образуются цепочки частиц, связанных ДНК, что меняет цвет раствора с красного на синий из-за взаимодействия цепочек со светом.

"Для коротких ДНК с наночастицами были достигнуты впечатляющие пределы обнаружения, но не для длинных", — поясняет Котов.

Проблема в том, что если частицы находятся дальше нескольких нанометров друг от друга, они слабо взаимодействуют и синий цвет не появляется. Более длинные цепи ДНК необходимы для точной дифференциации видов и индивидуумов.

"Если цепи слишком коротки, можно спутать ДНК убийцы с ДНК собаки друга — или сигнатуру рака желудка с фрагментом куриной буррито", — говорит Котов.

Новое решение: наностержни и кручение света

Вместо сферических наночастиц команда использовала золотые наностержни (∼62 нм в длину и ∼22 нм в диаметре), присоединив праймеры ДНК к их бокам.

После нескольких циклов копирования структуры из золота и ДНК стали напоминать скрученные верёвочные лестницы. Свет, проходя через спираль золотых "спиц", начинал вращаться (поляризация).

"Свет может вращаться, даже когда наностержни далеко друг от друга. Это даёт нашему методу огромное преимущество в чувствительности для длинных цепей ДНК", — объясняет Котов.

Это происходит потому, что электроны в золоте хорошо откликаются на частоту видимого света. Двигаясь в такт световой волне, они, в свою очередь, влияют на неё. Для света, проходящего через наностержни, легче всего, если электрическая волна движется вдоль их длины, поэтому свет закручивается.

Аналитическое преимущество

В зависимости от того, начинает ли свет вращаться по или против часовой стрелки, он сильнее всего "ощущает" закрутку от наностержней на разных длинах волн.

"Для аналитических целей это подарок", — отмечает Котов.

Два пика кручения для света с разным направлением вращения можно сложить, что усиливает сигнал и позволяет методу идентифицировать совпадение при меньших количествах ДНК.

"Сила вращения достигает максимума, когда зазор между наностержнями составляет 20 нанометров, что идеально подходит для обнаружения длинных, селективных и видоспецифичных цепей ДНК. Расчёты показывают, что в будущем мы сможем повысить чувствительность ещё больше и для ещё более длинных ДНК", — заключает Котов.