Получение результатов ПЦР-теста ускорили в 12 раз
Международная команда ученых из Южной Кореи и МФТИ создала инновационную платформу для фотонной полимеразной цепной реакции (ПЦР). Им удалось уменьшить время, необходимое для достижения достаточной для анализа концентрации ДНК, с одного-двух часов до нескольких минут. Кроме того, теперь для проведения реакции не нужно громоздкое и дорогое оборудование — достаточно одного светодиода. Недорогие и простые в применении чипы могут найти применение в качестве экспресс-тестов на инфекции.
Исследование опубликовано в престижном научном журнале Laser Photonics Reviews. Открытие метода ПЦР произвело революцию в медицине, науке и повседневной жизни человечества. Благодаря ему можно выяснить, присутствуют ли в образце искомые последовательности ДНК, что можно использовать для генноинженерных манипуляций, диагностики заболеваний и в расследовании преступлений. Однако для проведения классической ПЦР необходимо довольно много времени (порядка двух часов) и громоздкое лабораторное оборудование. ДНК в образце нужно амплифицировать, то есть увеличить количество копий нужного фрагмента.
Для этого нужно сперва «расплести» двойную спираль, нагрев образец до 94–98°С, а затем остудить до температуры, при которой полимераза достроит каждую из двух полуцепочек ДНК до целой. Чтобы достичь необходимой для обнаружения концентрации, циклы нагрев-охлаждения необходимо провести более 30 раз. Фотонная ПЦР является модификацией классического метода — в ней используют фототермический эффект, то есть способность некоторых материалов преобразовывать энергию светового излучения в тепловую. Таким образом, нагреть образец можно, осветив его светодиодом, а охладить с помощью простого обдува вентилятором. Помимо того, что термостатирующее оборудование становится ненужным, новый подход еще и гораздо быстрее.
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 так далее.
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, — поясняет Александр Барулин, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ. — 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 десять циклов нагрева-охлаждения, что заняло около пяти минут. В качестве источника света использовали ИК-светодиод, по факту заменив им лабораторный амплификатор.
Александр Барулин: «Наблюдение быстрых циклов нагрева-охлаждения с помощью термопары и скорой амплификации ДНК c помощью флуоресцентной микроскопии подтверждает практическую значимость подобных чипов для проведения ПЦР».
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.
В рамках соглашения МФТИ с Министерством науки и высшего образования России в лаборатории контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ были выполнены расчеты по локализации электромагнитных полей и поглощения в МИМ-структурах.
Telegram 
Дзен 
VK Вначале Reuters опубликовал статью о взаимоотношениях SpaceX и Пентагона, которую миллиардер --- традиционно для его отношений с этим изданием — назвал фейком. Опровергая ее тезисы, он обнародовал информацию, не представленную ранее публично.
Анализ ДНК и изотопный анализ зубов показали, что мужчина генетически был связан с саамскими популяциями, но часть жизни провел за пределами Финляндии — возможно, в Исландии. Авторы нового исследования пришли к выводу, что на рубеже XVI-XVII веков саамские сообщества не были изолированы, как предполагали многие исследователи. Люди путешествовали на далекие расстояния и поддерживали контакты с дальними регионами Северной Атлантики.
Кофеин известен прежде всего как стимулятор, повышающий бодрость и физическую работоспособность, однако его влияние на глубинные процессы восстановления мозга во время сна остается предметом дискуссий. Систематический обзор 32 исследований показал, что кофеин не столько сокращает продолжительность сна, сколько меняет его нейрофизиологическое качество, подавляя медленноволновую активность мозга, и сдвигает спящий мозг в более поверхностное, возбужденное состояние.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Вначале Reuters опубликовал статью о взаимоотношениях SpaceX и Пентагона, которую миллиардер --- традиционно для его отношений с этим изданием — назвал фейком. Опровергая ее тезисы, он обнародовал информацию, не представленную ранее публично.
Провинция Цзянсу была процветающим центром медицинской практики в Китае во времена династии Мин (1368-1644 годы нашей эры). Микроскопический анализ крошечных частиц на поверхности хирургических ножниц и пинцета из гробницы китайского врача помог выявить следы вещества, получаемого из ядовитого растения, которое, по мнению исследователей, применялось как местная анестезия во время операций.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно