Один из самых распространенных способов определить последовательность ДНК — полимеразная цепная реакция (ПЦР). Для ПЦР необхоимо специальное оборудование, источник электричества и обученный специалист. Ученые пытаются создать портативные устройства для анализа ДНК, которые позволят проводить анализы в любых условиях.

Определение последовательности ДНК требует ряда процедур: подготовка образцов, амплификация (многократное копирование молекул ДНК в образцах) и собственно детекция. Каждый из этих шагов необходимо уместить в портативное устройство. Одна из проблем на этом пути — сделать процесс независимым от электричества, ведь большинство методов анализа ДНК требует нагревание образцов.

Устройство пытаются сделать не только компактным, но и универсальным: оно должно уметь работать с анализами слюны, крови и мочи и распознавать различные формы ДНК, например, гены патогенов и мутации.

Ученые из Китая и США под руководством Мин Чэня (Ming Chen) из Третьего военно-медицинского университета создали ультрапортативное устройство для анализа ДНК весом меньше 100 граммов. Устройство состоит из двух основных частей: четырехграммового чипа, который печатают на 3D-принтере, и складной коробки. Вместе со смартфоном, который необходим для работы устройства, все детали помещаются в пакет или конверт формата B5 (25 на 17 сантиметров). Стоимость производства устройства составляет около 2,5 долларов, а расходных материалов для анализа одного образца — около четырех долларов.

Чип состоит из двух частей: блока подготовки образца и блока усиления сигнала. Пробу помещают на диск, который связывает ДНК, и промывают от клеточных компонентов буферным раствором. Затем добавляют реагенты для рекомбиназной полимеразной амплификации — метода, который позволяет размножить молекулы ДНК при постоянной температуре.

Растворы вводят в чип с помощью шприца, на который насаживают тефлоновую трубочку. В ней уже есть все необходимые реагенты в нужном порядке и количестве. Различные растворы разделяют пузыри воздуха, и оператор устройства должен лишь нажимать на поршень шприца, пока нужная жидкость не выйдет из него.

Чтобы нагреть образцы до необходимых 37 градусов Цельсия, используют смартфон. Ученые разработали приложение, которое запускает операции, требующие интенсивной работы процесора. Программа автоматически контролирует число операций, чтобы поддерживать температуру на нужном уровне. В комплекте также предусмотрены одноразовые пакеты, которые защитят смартфон от биологических жидкостей.

Рекомбиназную полимеразную амплификацию проводят в течение 20 минут, после чего образцы попадают в блок усиления сигнала по микрофлюидному каналу. Жидкость с образцами проходит по стеклянному чипу, на котором зафиксированы ДНК-пробы. Молекулы ДНК из образцов, которые комплементарны пробам, связываются с теми и фиксируются на стеклянной поверхности, а остальные смываются. ДНК на стеклянном чипе покрывают наночастицами золота, на которые в результате каталитического каскада осаждается множество ионов серебра.

Благодаря ионам серебра точки, в которых ДНК образцов связалась с пробами становятся заметны невооруженным глазом. Для автоматического считывания результата нужна вторая часть устройства. В нее входит картонная складная коробка (подставка для смартфона) и оптический блок с макролинзой и светодиодом. Камера телефона фиксирует свечение проб, а приложение оцифровывает результат.

С помощью устройства удалось распознать разные виды мутаций (делеции фрагментов ДНК разной длины, однонуклеотидные вставки и замены), аллельные гены и специфичные для патогенов последовательности ДНК. Необходимо было лишь подобрать правильные праймеры. Предел чувствительности устройства — 113 копий ДНК на миллилитр пробы.

Устройство продемонстрировало свою универсальность и для разных типов биологических образцов: крови, слюны, мочи, еды и растений. Девайс можно использовать для медицинских анализов, чтобы определить безопасность пищи и обнаружить патогены культурных растений.

Мода на портативные устройства проникает в разные области медицины: существуют «чихометры», которые определяют астму по выдыхаемому воздуху; датчики пота, крепящиеся на запястье; и даже портативные биореакторы для синтеза лекарств.

Фото: Смартфон нагревает чип, в котором происходят биохимические реакции, до 37 градусов Цельсия. Huan Xu et al. / Science Advances, 2020