Ученые Пермского Политеха (ПНИПУ) создали первую в мире компьютерную модель, которая точно описывает поведение молекул ДНК в микрокамерах конвективной полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая используется в тестах на вирусы. Технология позволяет проводить анализ за 30–40 минут вместо нескольких часов, используя компактный чип вместо громоздкого лабораторного оборудования.
Главная проблема портативных систем — ошибки проектирования. Существующие модели считают раствор ДНК однородной жидкостью, тогда как в реальности длинные нитевидные молекулы ведут себя иначе: они смещаются к стенкам, скапливаются в углах и, что критически важно, движутся от нагретых зон к холодным. Этот эффект, называемый термофорезом, ранее игнорировался, что приводило к сбоям и ложноотрицательным результатам.
В отличие от всех предыдущих моделей, ключевым новшеством стало то, что мы впервые стали рассматривать молекулы ДНК как самостоятельные микрочастицы, способные двигаться независимо от потока жидкости. Именно этот подход позволил нам учесть главный ранее упускаемый эффект —движение частиц от тепла к холоду, или термофорез
Моделирование точной цифровой копии реального чипа, который периодически давал сбои, подтвердило гипотезу. Когда ученые включили в расчет движение молекул к холодным стенкам, компьютер визуализировал проблемные зоны: скопления ДНК, локальные перегревы и остановку циркуляции жидкости. Именно эти искажения температурного поля мешали реакции и вызывали ошибки.
ПЦР похожа на лавину: молекул становится все больше и больше, так как они копируют сами себя в каждом цикле реакции. Сначала их движение почти незаметно, но когда их тысячи, они начинают смещаться к холодным стенкам. Наши расчеты показывают, что уже через 10 минут это может замедлить поток жидкости в чипе вдвое. Течение становится неустойчивым, и это как раз вызывает тот самый опасный перепад температур, который срывает реакцию. Именно поэтому один и тот же прибор может выдать как точный результат, так и ошибочный
Теперь, имея точную «карту» проблем, инженеры смогут целенаправленно устранять их на этапе проектирования — менять форму каналов и распределение нагрева. Это открывает путь к созданию нового поколения сверхбыстрых и абсолютно надежных портативных ПЦР-систем для диагностики в кабинете врача, полевых госпиталях и удаленных районах. Исследование опубликовано в «Российском журнале биомеханики».
Ранее Наука Mail писала о том, что российские ученые разработали новый способ идентификации микробных биопленок.
