Ультрапортативный прибор определил мутации при помощи смартфона

27 апреля 2020
207

Ученые создали портативное устройство для анализа ДНК. Оно весит около 60 граммов, его себестоимость меньше 7 долларов. Для нагревания реагентов и автоматического распознавания результата устройство использует смартфон. Девайс высокочувствителен и универсален, он распознает различные виды мутаций и ДНК патогенов в образцах крови, мочи и слюны, а также в продуктах и растениях. Статья опубликована в журнале Science Advances.

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. 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. 

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.