Установка для анализа. Источник: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adp0911
От липучки до солнечных батарей многие технологические инновации были вдохновлены природой. В медицинской диагностике исследователи также черпают вдохновение из биологических принципов. Исследовательская группа из Университета Фрайбурга и Института новых материалов имени Лейбница в Саарбрюккене разработала методы тестирования, в которых простые светодиоды могут заменить сложные механические насосы. Эти OptoAssays не только имитируют поведение биологических клеток, но и используют их генетическое программирование.
Экспресс-тест на SARS-CoV-2 показывает, присутствует ли в образце жидкости, реагенте, определенный белок коронавируса или нет. Тест на беременность работает аналогичным образом. Здесь присутствие гормона ХГЧ вызывает окрашивание тестовой линии.
В обоих случаях используется анализ бокового потока, тест, в котором боковой поток реагента приводит к отображению результата. Это однонаправленное движение жидкости на бумаге создается исключительно капиллярными силами, без какой-либо механической или электрической помощи.
Для более сложных тестов этот метод обнаружения не подходит. Здесь требуются анализы, которые позволяют осуществлять двунаправленный контроль жидкостей, то есть транспортировку в тестовую систему и из нее. К сожалению, эти многоступенчатые анализы основаны на дорогих и подверженных износу насосах.
Эти насосы многократно вымывают несвязанные молекулы из системы, гарантируя, что только те частицы, которые должны быть обнаружены, остаются прикрепленными к антителам обнаружения.
Исследователи из Университета Фрайбурга и INM нашли решение, позволяющее проводить сложные тестовые разработки без необходимости использования дорогостоящего и громоздкого оборудования. В статье, опубликованной в журнале Science Advances, они представляют биологические анализы, в которых дорогие и сложные механические насосы были заменены простыми и дешевыми светодиодами (LED).
Эти OptoAssays позволяют осуществлять двунаправленное, вызванное светом движение биомолекул и считывать результаты теста без необходимости дополнительных этапов механической промывки.
OptoAssay использует область отправителя и приемника, которые приводятся в контакт путем добавления тестового реагента. В области отправителя находится специальный белок, который реагирует на свет. Этот белок может либо связывать, либо высвобождать определенные молекулы, в зависимости от типа света, который он улавливает.
Когда светодиод излучает красный свет с длиной волны 660 нанометров, молекулы связываются с белком. При переключении на дальний красный свет с длиной волны 740 нанометров молекулы отсоединяются от белка. В области приемника находятся антитела, специально разработанные для распознавания и захвата целевого белка в тестовом реагенте.
Исследователи черпали вдохновение для этого метода из природы, в частности из того, как растения реагируют на свет. У каждой клетки есть ядро, где хранится ее генетический код. ДНК содержит «программу» клетки, которая инструктирует клетку, что делать. Чтобы активировать или деактивировать эту программу, определенные белки должны перемещаться в ядро и из него.
Профессор Вильфрид Вебер, синтетический биолог и научный руководитель INM, объясняет механизм: «В цитоплазме, области, окружающей ядро, находится фоторецептор, который может контролироваться светом. Когда он получает красный свет, он активируется и прикрепляется к связывающему белку».
«Этот связывающий белок затем переносит фоторецептор вместе с собой в ядро, где он может запустить, например, программу роста. Как только длина волны света переключается на дальний красный, эта связь снова прерывается».
Однако связь с природой осуществляется не только через сам метод. Фоторецепторы в OptoAssay, которые высвобождают реагенты, сделаны из натуральных материалов, в отличие от насосов, обычно используемых в OptoAssay.
Гены, содержащие информацию для фоторецептора в растительных клетках, извлекаются из растения и вставляются в бактерии. Затем эти бактерии производят фоторецептор и связывающий белок, которые используются в OptoAssay. В результате изначально механические компоненты заменяются естественными устойчивыми материалами.
Исследователи видят большой потенциал в использовании OptoAssays в диагностике на месте оказания помощи, то есть за пределами лаборатории, аналогично анализам с латеральным потоком.
Д-р. Кан Динсер из Университета Фрайбурга объясняет: «OptoAssays можно легко контролировать и считывать с помощью смартфонов, и в будущем это может сделать ненужными внешние системы управления потоком, такие как насосы и устройства считывания сигналов. Таким образом, они прокладывают путь для новых диагностических инструментов, которые позволяют проводить экономически эффективные и простые анализы непосредственно на месте, даже в условиях ограниченных ресурсов».
Дополнительная информация: Надин Урбан и др., OptoAssay — динамический биоанализ под управлением света с использованием оптогенетических переключателей, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adp0911
Информация о журнале: Science Advances
Предоставлено Leibniz-Institut für Neue Materialien gGmbH
