Исследователи Московского физико-технического института (МФТИ) в составе международной команды представили инновационную платформу для фотонной полимеразной цепной реакции (ПЦР), рассказали в пресс-службе вуза.
Открытие метода ПЦР произвело революцию в медицине, науке и повседневной жизни человечества. Благодаря ему можно выяснить, присутствуют ли в образце искомые последовательности ДНК. Это можно использовать для генно-инженерных манипуляций, диагностики заболеваний и в расследовании преступлений. Однако для проведения классической полимеразной цепной реакции необходимо громоздкое лабораторное оборудование и довольно много времени.
Ученым МФТИ вместе с коллегами из Южной Кореи удалось уменьшить необходимое для анализа время с двух часов до нескольких минут. Кроме того, теперь для проведения реакции достаточно одного светодиода.
В пресс-службе МФТИ объяснили, что для проведения фотонной ПЦР биоматериал помещают на небольшие подложки, на которые нанесены тонкие золотые пленки или наночастицы. При освещении фотоны возбуждают электроны поверхностного слоя металла, а из-за сильной связи с ионами кристаллической решетки их энергия быстро (порядка 10 пикосекунд) переходит в тепловую.
В перспективе чипы для проведения фотонной ПЦР могут использоваться для быстрых тестов на различные инфекции, причем результат можно будет получить прямо в кабинете врача, не отправляя образец в лабораторию. Пока же этому мешает сложность их изготовления, в ходе которого применяют, например, литографические методы. Для этого требуется высокоточное лабораторное оборудование, и цена изделия получается высокой.
Чтобы преодолеть эти недостатки, ученые из Южной Кореи и Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ создали многослойную подложку, используя исключительно методы нанесения из растворов. Помимо золотых наночастиц исследователи применили двумерный материал карбид-титановый максен. Название «максены» такие материалы получили из-за своего строения Mn+1XnTx — в них чередуются атомы металла (М) и X-элементов (углерода, азота и, в редких случаях, кислорода), а так называемый терминирующий слой T может состоять из атомов кислорода, фтора, хлора, водорода и других элементов.
Максены, подобно графену и золоту, обладают фототермическим эффектом и, кроме того, хорошо растворяются в воде — это дает возможность наносить их на поверхность, как краску из распылителя. Кроме того, в двумерном материале свет испытывает многочисленные внутренние отражения, что увеличивает эффективность поглощения излучения.
Эти свойства навели исследователей на идею собрать «сэндвич» металл-изолятор-металл (MИM), проложив между слоем золотых наночастиц и карбид-титановым максеном слой оксида кремния в качестве диэлектрика. Такие МИМ-структуры применяют в различных электронных устройствах, включая резисторы, переключатели и сенсоры.
Расчеты показали, что синергия максенов с золотыми наночастицами позволяет создать практически идеальный поглотитель света в виде МИМ-структур c сильным фототермическим эффектом. Изготовление такого рода структур может быть потенциально масштабируемо в виде чипов, а их применение позволит ускорить определение ДНК-патогенов ввиду эффективного и быстрого нагрева для проведения этапов денатурации во время ПЦР.
В ходе экспериментов ученые смогли увеличить концентрацию ДНК в образце, нанесенном на чип, всего за 10 циклов нагрева-охлаждения, что заняло около 5 минут. В качестве источника света использовали ИК-светодиод, по факту заменив им лабораторный амплификатор.
«Наблюдение быстрых циклов нагрева-охлаждения с помощью термопары и скорой амплификации ДНК c помощью флуоресцентной микроскопии подтверждает практическую значимость подобных чипов для проведения ПЦР», — добавил Александр Барулин.
В удаленной перспективе наборы чипов для фотонной ПЦР можно поставить в скромно оборудованных небольших поликлиниках в качестве экспресс-тестов на различные инфекции. Вместо расплывчатых ОРВИ, ОРЗ или «кишечная инфекция» врач, не выходя из кабинета, выставит точный диагноз, что поможет подобрать более эффективное лечение.
Ранее Наука Mail опубликовала интервью ректора МФТИ Дмитрия Ливанова.