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.
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 других.
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.
