ДНК-оригами повышает эффективность электрохимических биосенсоров

Новая платформа позволяет создавать более эффективные, селективные и чувствительные ДНК-биосенсоры для обнаружения различных патогенов и заболеваний.

Электрохимические ДНК-биосенсоры перспективны для мониторинга различных заболеваний. Их возможности обширны: от анализа целевой ДНК, такой как бактериальные гены и опухолевые последовательности, до клинически значимых концентраций биомаркеров SARS CoV-2.

Однако достижение необходимой чувствительности и селективности для перехода из лаборатории в клинику — сложная задача, так как часто требуются сложная химия, электрохимическое мечение, технически сложные материалы или многоступенчатая обработка.

Исследователи из Университета Аалто (Финляндия) и Университета Стратклайда (Глазго, Великобритания) нашли способ значительно повысить чувствительность электрохимических ДНК-сенсоров, используя модульные ДНК-наноструктуры в качестве нового компонента. Они объединили традиционные методы ДНК-сенсоров с программируемыми структурами ДНК-оригами, создав беcметочный сенсор с существенно увеличенной селективностью и чувствительностью детектирования.

«На практике мы начинаем с довольно простого и распространенного типа ДНК-биосенсора: у нас есть электродная система, погруженная в раствор аналита, где сенсорный электрод покрыт одноцепочечными ДНК-зондами, комплементарными целевым (одноцепочечным) последовательностям ДНК. Как только целевая цепь связывается и гибридизуется с зондом, электрические заряды у электрода немного смещаются, что мы регистрируем как изменение электрохимического сигнала», — объясняет аспирант Петтери Пискунен из Университета Аалто.

«Здесь в игру вступают наноструктуры ДНК-оригами. Мы оснастили нашу плиткообразную ДНК-оригами целевыми захватывающими цепями, которые могут эффективно и селективно связываться с одним концом целевой последовательности, в то время как другой конец цели связывается с зондами на электроде. Таким образом, мы создаем сэндвич-подобный комплекс, где целевая цепь оказывается в ловушке между электродом и ДНК-оригами. В результате вместо небольшого изменения сигнала при связывании мишени мы видим усиленный эффект благодаря присутствию сравнительно крупной структуры ДНК-оригами», — продолжает Пискунен.

«Мы продемонстрировали работоспособность нашей системы, обнаружив фрагмент гена бактерии с антибиотикорезистентностью. Мы могли селективно захватывать эту мишень из довольно сложного раствора, содержащего различные типы одноцепочечной ДНК — от коротких цепей и фрагментов «мусора» до длинной кольцевой ДНК. Наш сенсор надежно обнаруживал целевые последовательности в концентрациях в 100–1000 раз ниже, чем традиционные методы», — говорит приглашенный ученый Вейкко Линко.

«Обнадеживает мысль, что, комбинируя универсальное ДНК-оригами с, например, печатными и одноразовыми электродами, мы можем создавать беcметочные сенсорные платформы с такой высокой чувствительностью и специфичностью. Это открывает путь к массовому производству и широкому применению в качестве устройств для диагностики у постели больного. В настоящее время совместная работа с Университетом Стратклайда продолжается для обобщения конструкции сенсора для работы с различными типами биомаркеров», — заключает Линко.

Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Sensors.