Вчені створили портативний пристрій для аналізу ДНК. Воно важить близько 60 грамів, його собівартість менше 7 доларів. Для нагрівання реагентів і автоматичного розпізнавання результату пристрій використовує смартфон. Девайс високочутливий і універсальний, він розпізнає різні види мутацій і ДНК патогенів у зразках крові, сечі і слини, а також у продуктах і рослинах. Стаття опублікована в журналі.
Один з найпоширеніших способів визначити послідовність ДНК - полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР). Для ПЛР необхоїмо спеціальне обладнання, джерело електрики і навчений фахівець. Вчені намагаються створити портативні пристрої для аналізу ДНК, які дозволять проводити аналізи в будь-яких умовах.
Визначення послідовності ДНК вимагає низки процедур: підготовка зразків, ампліфікація (багаторазове копіювання молекул ДНК у зразках) і власне детекція. Кожен з цих кроків необхідно вмістити в портативний пристрій. Одна з проблем на цьому шляху - зробити процес незалежним від електрики, адже більшість методів аналізу ДНК вимагає нагрівання зразків.
Пристрій намагаються зробити не тільки компактним, а й універсальним: воно повинно вміти працювати з аналізами слини, крові і сечі і розпізнавати різні форми ДНК, наприклад, гени патогенів і мутації.
Вчені з Китаю і США під керівництвом Мін Ченя (Ming Chen) з Третього військово-медичного університету створили ультрапортативний пристрій для аналізу ДНК вагою менше 100 грамів. Пристрій складається з двох основних частин: чотириграмового чіпа, який друкують на 3D-принтері, і складової коробки. Разом зі смартфоном, який необхідний для роботи пристрою, всі деталі поміщаються в пакет або конверт формату B5 (25 на 17 сантиметрів). Вартість виробництва пристрою становить близько 2,5 доларів, а витратних матеріалів для аналізу одного зразка - близько чотирьох доларів.
Чіп складається з двох частин: блоку підготовки зразка і блоку посилення сигналу. Пробу розміщують на диску, який зв'язує ДНК, і промивають від клітинних компонентів буферним розчином. Потім додають реагенти для рекомбіназної полімеразної ампліфікації - методу, який дозволяє розмножити молекули ДНК при постійній температурі.
Розчини вводять у чіп за допомогою шприца, на який насаджують тефлонову трубочку. У ній вже є всі необхідні реагенти в потрібному порядку і кількості. Різні розчини розділяють бульбашки повітря, і оператор пристрою повинен лише натискати на поршень шприца, поки потрібна рідина не вийде з нього.
Щоб нагріти зразки до необхідних 37 градусів Цельсія, використовують смартфон. Вчені розробили додаток, який запускає операції, що потребують інтенсивної роботи процесора. Програма автоматично контролює кількість операцій, щоб підтримувати температуру на потрібному рівні. У комплекті також передбачені одноразові пакети, які захистять смартфон від біологічних рідин.
Рекомбіназну полімеразну ампліфікацію проводять протягом 20 хвилин, після чого зразки потрапляють у блок посилення сигналу по мікрофлюїдному каналу. Рідина зі зразками проходить по скляному чіпу, на якому зафіксовані ДНК-проби. Молекули ДНК зі зразків, які комплементарні пробам, зв'язуються з тими і фіксуються на скляній поверхні, а інші змиваються. ДНК на скляному чіпі покривають наночастинками золота, на які в результаті каталітичного каскаду осаджується безліч іонів срібла.
Завдяки іонам срібла точки, в яких ДНК зразків зв'язалася з пробами стають помітні неозброєним оком. Для автоматичного зчитування результату потрібна друга частина пристрою. У неї входить картонна складна коробка (підставка для смартфона) і оптичний блок з макролінзою і світлодіодом. Камера телефону фіксує світіння проб, а додаток оцифровує результат.
За допомогою пристрою вдалося розпізнати різні види мутацій (делеції фрагментів ДНК різної довжини, однонуклеотидні вставки і заміни), алельні гени і специфічні для патогенів послідовності ДНК. Необхідно було лише підібрати правильні праймери. Межа чутливості пристрою - 113 копій ДНК на мілілітр проби.
Пристрій продемонстрував свою універсальність і для різних типів біологічних зразків: крові, слини, сечі, їжі та рослин. Девайс можна використовувати для медичних аналізів, щоб визначити безпеку їжі і виявити патогени культурних рослин.
Мода на портативні пристрої проникає в різні області медицини: існують «чихометри», які визначають астму за видихуваним повітрям; датчики поту, що кріпляться на куп'ясті; і навіть портативні біореактори для синтезу ліків.