Ученые UCR предложили метод выявления заболевания по одной молекуле

Инструмент на основе нанопоры, который сможет диагностировать заболевания гораздо быстрее и точнее, чем позволяют существующие тесты, за счет улавливания сигналов от отдельных молекул, разработали специалисты Калифорнийского университета в Риверсайде (UCR), сообщает 2 января пресс-служба университета.

Поскольку молекулы, которые хотят обнаружить ученые, например, при диагностике заболевания (обычно это определенные молекулы ДНК или белка), имеют в ширину примерно одну миллиардную метра. Поэтому электрические сигналы, которые они излучают, очень малы и требуют специальных приборов для обнаружения.

Ведущий автор исследования нового инструмента, доцент кафедры биоинженерии в UCR Кевин Фридман отметил:

«Сейчас для обнаружения заболеваний нужны миллионы молекул. Мы показываем, что можно получить полезные данные всего от одной молекулы. Такой уровень чувствительности может реально улучшить диагностику заболеваний».

Лаборатория Фридмана нацелена на создание электронных детекторов, которые ведут себя как нейроны в мозге и могут сохранять информацию/воспоминания, в частности о том, какие молекулы ранее прошли через датчик. Для этого ученые из UCR разработали новую схему, которая учитывает небольшие изменения в выходном сигнале датчика.

Ее основу составляет нанопора — крошечное отверстие, через которое одновременно может пройти только одна молекула. Биологические образцы загружаются в устройство вместе с солями, которые в нем диссоциируют на ионы.

Когда молекулы белка или ДНК из образца проходят через нанопору, в этот момент уменьшается поток ионов, которые проходят через нее. «Наш детектор измеряет уменьшение потока, вызванное прохождением белка или фрагмента ДНК, блокирующим прохождение ионов», — пояснил Фридман.

Он предположил, что для анализа электрических сигналов, генерируемых ионами, система должна учитывать вероятность того, что некоторые молекулы могут не быть обнаружены при прохождении через нанопору.

Отличительной чертой этого открытия является то, что нанопора не просто является датчиком, но и сама действует как фильтр, снижая фоновый шум от других молекул в образце, который может скрыть важные сигналы.

Традиционные датчики требуют внешних фильтров, снижающих такой шум, но эти фильтры могут случайно удалить ценную информацию об образце. Подход Фридмана гарантирует сохранение сигнала от каждой молекулы в нем, что повышает точность диагностических приложений.

Фридман предполагает, что устройство будет использоваться для разработки небольшого портативного диагностического прибора — размером не больше USB-накопителя — который сможет обнаруживать инфекции на самых ранних стадиях заболевания.

В то время как сегодняшние тесты могут не выявить инфекцию в течение нескольких дней после заражения, нанопоровые датчики смогут обнаруживать ее в течение 24–48 часов после попадания патогена в организм. Эта возможность даст значительное преимущество для выявления быстро распространяющихся заболеваний, позволяя проводить раннее лечение.

«Нанопоры предлагают способ выявления инфекций раньше — до появления симптомов и до распространения болезни, — отметил Фридман. — Такого рода инструмент может сделать раннюю диагностику гораздо более эффективной как для вирусных инфекций, так и для хронических состояний».

Помимо диагностики, устройство обещает продвинуть исследования белков. Белки играют важную роль в клетках, и даже незначительные изменения в их структуре могут повлиять на здоровье. Современные диагностические инструменты с трудом различают здоровые и болезнетворные белки из-за их сходства. Однако устройство с нанопорами может измерять тонкие различия между отдельными белками, что может помочь врачам разрабатывать более персонализированные методы лечения.

Исследование также приближает ученых к достижению долгожданной цели в биологии — секвенированию отдельных молекул белка. В то время как секвенирование ДНК раскрывает генетические инструкции в ней, секвенирование белка дает представление о том, во что эти инструкции воплощаются и изменяются в реальном времени.

Это более глубокое понимание может привести и к более раннему выявлению заболеваний, и более точным методам лечения, адаптированным под каждого пациента.

«Развитие секвенирования белков набирает обороты, потому что это даст нам информацию, которую мы не можем получить только с помощью ДНК, — указал Фридман. — Нанопоры позволяют нам изучать белки способами, которые раньше были невозможны».

Фридман ожидает, что технология нанопор вскоре станет стандартной функцией как в исследовательских, так и в медицинских инструментах. Поскольку такие устройства становятся всё более доступными, они могут найти место в повседневных диагностических наборах, используемых дома или в клиниках.

Результаты исследования ученые UCR представили в статье «Отрицательная емкость памяти и эффекты ионной фильтрации в асимметричных нанопорах» (Negative memory capacitance and ionic filtering effects in asymmetric nanopores), опубликованной в журнале Nature Nanotechnology.