Оптическое обнаружение пикомолярных концентраций РНК с помощью переключения плазмонной хиральности

Даже ничтожные количества вирусов могут иметь катастрофические последствия. Идентификация РНК может выявить тип присутствующего вируса. Быстрая и чувствительная методика на основе оптического детектирования была представлена в журнале Angewandte Chemie. Учёные из Германии и Финляндии продемонстрировали связывание целевой РНК с зондом из золотых наностержней и структуры ДНК-оригами. Переключения хиральности, запускаемые связыванием, можно измерить с помощью спектроскопии кругового дихроизма.

Среди главных задач в здравоохранении — идентификация патогена (часто вируса). Вирусы, ответственные за лихорадку Зика, СПИД и гепатит C, содержат мутирующие последовательности РНК. Врачам необходимо быстро определить тип вируса, но современные методы, основанные на умножении РНК, дороги и длительны. Тим Лидл из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене и его коллеги разработали быструю стратегию детектирования на основе наноплазмоники, ДНК-оригами и оптического считывания.

Свет может индуцировать плазмонные волны в наноразмерных металлических структурах, меньших, чем длина падающей волны. Этот резонанс может приводить к сильному усилению светового излучения даже от наноскопических структур — свойство, крайне интересное для биосенсорных применений. Лидл и коллеги создали наноразмерный сенсорный зонд для молекул РНК.

Зонд, наноразмерная конструкция из ДНК и золотых наностержней, был собран с помощью техники ДНК-оригами, которая использует специфические взаимодействия оснований ДНК для сворачивания и склеивания одиночных цепей в любую желаемую форму. Авторы сконструировали две перекладины из параллельных спиралей ДНК, соединённых шарниром посередине. Золотые наностержни были размещены поверх каждой из скрещенных перекладин. Концы обеих перекладин были функционализированы: к одной учёные присоединили одну одноцепочечную последовательность ДНК с блокирующей цепью, а к другой — комплементарную последовательность ДНК. При наличии целевой РНК (например, типичной вирусной последовательности) блокирующая цепь покидает свою ДНК в пользу гибридизации с РНК, и обе одноцепочечные последовательности ДНК комплементарно образуют двойную цепь, стягивая перекладины креста вместе. Это структурное изменение придаёт зонду хиральность.

Хиральность можно детектировать с помощью кругового дихроизма. И действительно, структурные изменения, вызванные связыванием РНК, индуцировали сигнал кругового дихроизма, обнаруживаемый CD-спектрометром. Концентрации целевой РНК всего в 100 пикомоль были распознаны, согласно авторам. Учёные надеются внедрить эту методику в системы "лаборатория-на-чипе", где для подготовки образца требуется мало шагов, а недорогие миниатюрные устройства дают чувствительные результаты. Предварительные результаты с сывороткой крови с добавленной вирусной РНК были многообещающими.

Авторы признают, что пределы обнаружения всё ещё недостаточно низки для клинической значимости. Однако они верят, что улучшения возможны: лучше защита наносенсоров от белков сыворотки, переход на металлы с лучшим плазмонным резонансом и увеличение сайтов распознавания РНК. Это может сделать методику перспективным диагностическим инструментом, не ограниченным только вирусной РНК.