Українські вчені: важливий крок у розвитку біосенсорних технологій

Дослідники з України зробили важливий крок у розвитку біосенсорних технологій, визначивши оптимальні умови для стабільності золотих наночастинок, які використовуються в системах гібридизації ДНК. Ці частинки відіграють ключову роль у підвищенні чутливості оптичних біосенсорів, зокрема тих, що базуються на явищі поверхневого плазмонного резонансу. Такі пристрої дозволяють у реальному часі виявляти генетичні маркери, що має значення для діагностики, мікробіології, вірусології та навіть контролю безпеки харчових продуктів.

Золоті наночастинки приваблюють науковців своєю низькою токсичністю, доступною вартістю та можливістю хімічної модифікації поверхні. Їх унікальні оптичні властивості дають змогу підсилювати сигнал біосенсора, що робить їх перспективними для аналізу біомолекул.

Проте одна з головних проблем — нестабільність таких частинок у середовищах, сприятливих для взаємодії ДНК. Без належної стабілізації вони можуть агрегулювати, тобто злипатися, втрачаючи свої властивості та знижуючи ефективність системи.

У ході дослідження вчені зосередилися на цитратно-сольовому буфері, відомому як стандартне середовище для гібридизації нуклеїнових кислот. Цей буфер містить іони натрію, які нейтралізують негативний заряд ДНК, полегшуючи формування подвійної спіралі.

Щоб знайти найкраще середовище, дослідники протестували різні концентрації буфера — від чистої деіонізованої води до розчинів із різною кратністю. Для цього наночастинки модифікували олігонуклеотидами з тіоловими групами, а також додавали молекули 6-меркапто-1-гексанолу та ліпоєвої кислоти, які забезпечують електростеричну стабілізацію.

Експерименти показали, що частинки, модифіковані лише блокуючими молекулами, швидко агрегулюють у воді та в концентрованому буфері через гідрофобні взаємодії або високу іонну силу. Натомість додавання олігонуклеотидів значно покращило їх стійкість завдяки створенню електростатичних і стеричних бар’єрів. Найкращі результати дала концентрація буфера 0,1-кратної кратності, де частинки зберігали стабільність навіть після кількох циклів центрифугування. Для роботи біосенсора в режимі реального часу оптимальним виявився буфер із кратністю 2,0, що забезпечує ефективну гібридизацію.

Розмір наночастинок також відігравав важливу роль. Синтез проводили методом Туркевича, замінивши один із реагентів на доступніший аналог. Отримані частинки мали середній діаметр 16,77 нанометра, що дещо перевищило очікувані показники, але залишилося в межах безпечного діапазону. Такий розмір дозволяє уникнути як надмірної неоднорідності, так і потенційної токсичності дрібніших частинок.

Перевірка розробки відбулася на спектрометрі «Плазмон-6», який працює за принципом поверхневого плазмонного резонансу.

Тестування показало, що модифіковані наночастинки підсилюють сигнал біосенсора втричі при зв’язуванні з комплементарними олігонуклеотидами, порівняно з некомплементарними. Це підтверджує їхню здатність точно виявляти цільові послідовності ДНК, зокрема фрагменти генів, пов’язаних із Філадельфійською хромосомою — маркером певних онкологічних захворювань.

Результати відкривають можливості для створення нових біосенсорів, які можуть застосовуватися в медицині, наприклад, для швидкої діагностики онкопатологій, а також у сферах біобезпеки та моніторингу навколишнього середовища. Стабільність наночастинок у буфері низької кратності також спрощує їх зберігання, що є важливим для практичного використання.

Дослідження провели вчені з кількох установ України: Максим Соболевський, Ігор Голубєв, Андрій Лопатинський, Андрій Самойлов, Григорій Дорозінський, Олег Ляпін, Роман Христосенко, Володимир Чегель, Сергій Дзядевич та Олександр Солдаткін. Робота виконувалася в Інституті молекулярної біології і генетики Національної академії наук України, Київському політехнічному інституті імені Ігоря Сікорського, Інституті фізики напівпровідників імені В. Є. Лашкарьова та Київському національному університеті імені Тараса Шевченка. Фінансування забезпечили гранти Національної академії наук України та Національного фонду досліджень України.