Наноробот с «руками»

ДНК-машина представляет собой небольшую (20–30 нуклеотидов) ДНК-платформу, к которой привязаны специальные участки ― сами ученые называют их «руками». Всё вместе это похоже на робота: он, приближаясь к цепочке РНК, своими «руками» крепко связывает ее сложносвернутые участки и заставляет их разворачиваться. Происходит это благодаря такому свойству, как комплементарность — то есть способности нуклеиновых кислот притягиваться друг к другу и создавать пары: аденин — тимин и гуанин — цитозин.

Такой метод разворачивания сложно свернутых нуклеиновых кислот позволяет избавиться от сложной процедуры термической амплификации, для которой требуются особые лабораторные условия и специальные термоциклеры. Реакция (или гибридизация, то есть прикрепление одноцепочечных кусочков нуклеиновых кислот друг к другу) происходит в условиях комнатной температуры. Это выгодно отличает предложенный учеными метод от классических ПЦР-тестов.

«РНК или ДНК обычно находятся в свернутом состоянии и разворачиваются только при высоких температурах, что усложняет детекцию целевых фрагментов. ДНК-машины способны без специальных приборов и нагревания выявлять нужные участки — аналиты одноцепочечных РНК, принадлежащие определенным патогенам. ДНК-машины “подбираются к мишени”, обхватывают ее и заставляют нуклеиновую кислоту развернуться», — объясняет сотрудница Международного научного центра SCAMT Университета ИТМО, первый автор исследования Дарья Горбенко.

Для каждого патогена создается своя платформа ― она должна быть устроена так, чтобы не происходило нежелательного скрещивания структурных элементов ДНК-машины с аналитом РНК. Но сделать это достаточно лишь один раз. В базе патогенов у ученых уже есть цитомегаловирус (разновидность герпеса), гемофильная палочка, вызывающая поражение органов дыхания, и листерия моноцитогенес (ответственная за острые пищевые отравления).

Наглядная визуализация

Но главное преимущество исследования, как отмечают его авторы, не только в ДНК-машине (они уже активно используются во всем мире), а в визуализации результатов ее работы. Дизайн каждой ДНК-машины разработан так, чтобы при соединении «рук» с аналитами (кусочками РНК, характерных для того или иного патогена) образуются G-квадруплексы ― трехмерные структуры из четырех цепей нуклеиновых кислот. При добавлении дополнительных химических реагентов (бесцветного субстрата, гемина и перекиси водорода) происходит реакция ― и раствор из прозрачного становится цветным. Как отмечают ученые, такая колориметрическая реакция выгодно отличает тест-систему от того же ПЦР:

«Свойства G-квадруплексов открывают простор для создания простой и наглядной тест-системы: при добавлении специальных реагентов мы получим цветовой сигнал. Мы используем диаминобензидин, гемин и перекись водорода, в этом случае образец окрашивается в темно-коричневый цвет. Если при проведении ПЦР мы не можем ничего детектировать без специального оборудования вроде спектрофотометров, то здесь получается наглядный визуальный сигнал. Можно невооруженным взглядом понять, где есть реакция детекции, а где ее нет», — поясняет Дарья Горбенко.

Весь процесс тестирования с помощью ДНК-машины — от взятия материала и выделения нуклеиновой кислоты до образования G-квадруплекса и получения цветового сигнала — занимает порядка двух-трех часов, но авторы проекта уверены, что это время можно сократить. В будущем всю систему планируется «упаковать» в маленькую герметичную коробочку, которую можно будет использоваться даже дома.

Случайное открытие

Статья об исследовании вышла в престижном научном журнале Chemical Communications, попав при этом в топ-10 срочных публикаций года. Но главное открытие, которое легло в его основу, как признаются сами авторы, произошло случайно, и им еще предстоит до конца объяснить фундаментальные процессы, которые за ним стоят. Дело в том, что метод разворачивания свернутых нуклеиновых кислот неожиданным образом работает не только на одноцепочечных РНК, но и на прочно гибридизованных двухцепочечных ДНК ― раньше их не получалось «разъединить» без воздействия высоких температур (так называемого «отжига»).

«Мы достигли результата, который сами еще до конца не можем осмыслить с фундаментальной точки зрения. Мы проектировали и использовали нашу ДНК-машину для одноцепочечных участков РНК ― то есть тех, которые прекрасно связываются с одноцепочечными “руками” машины по принципу комплементарности: у них действительно выгодный термодинамический потенциал взаимодействия. И то, что наши пробы способны иногда детектировать и двухцепочечный аналит без дополнительных манипуляций вроде отжига, стало для нас сюрпризом. По нашим данным, такой результат не достигался никогда. Почему это происходит — сказать сложно, но предположений у нас много, и мы в данный момент их проверяем», — комментирует Дарья Горбенко.

Подробнее об исследовании: Daria Gorbenko, Liubov Shkodenko, Maria Rubel, Aleksandr Slita, Ekaterina Nikitina, Elvira Martens, Dmitry Kolpashchikov. «DNA nanomachine for visual detection of structured RNA and double stranded DNA». Chemical Communications, 2022.