Куда уводит золотая ДНК

Оптическая антенна в виде наночастицы золота на графене, через пору которого проходит ДНК. Иллюстрация Physorg

Журнал Science вслед за Nature недавно сообщил об очередном рекорде определения последовательности ДНК нашего предка, который жил на Дону, в окрестностях села Костенки, что в 40 км от Воронежа, 36–39 тыс. лет назад. До этого самая древняя прочитанная ДНК была у мальчика из алтайского села Мальта, жившего «всего» 24 тыс. лет назад. Более старший возраст «воронежца» соответствует более длинным последовательностям неандертальской ДНК в его геноме. Это наследие половых контактов между неандертальцами и современными людьми, которые случались на протяжении 7–13 тыс. лет как в Европе, так и на просторах Азии.

Столь значимые достижения ученых связаны прежде всего с удешевлением процедур определения последовательностей нуклеиновых кислот и «железа» для проведения подобного рода исследований. И все же такие работы пока доступны лишь богатым университетам и большим международным командам ученых.

Например, в Иллинойском университете, что в городе с красивым названием Урбана-Шампань, выявили высокую степень – до 8% – «зараженности» нашего генома ретровирусами, к коим относится и ВИЧ. Их жизненный цикл включает копирование ДНК на РНК, после чего синтезированная копия встраивается в геном клетки. Инфицирование вирусами как людей, так и животных происходило на протяжении миллионов лет. У австралийских коал насчитывается до 10 тыс. ретровирусов, в то время как у нас всего лишь 100. «Усвоенные» нами вирусы вызывают лейкемию и лимфомы, а также повышают риск заражения хламидиями на фоне развивающегося иммунодефицита.

Графен, открытие которого было удостоено одной из самых «быстрых» Нобелевских премий по физике, уникален своей одноатомной толщиной, что делает его идеальным для пористого секвенирования – определения последовательности – «букв» ген-кода в ДНК и различных РНК. Под пористостью понимают прожигание в этом материале пор ничтожно малого диаметра, сквозь которые способны проходить двуцепочные молекулы ДНК сечением 2,3 нанометра. Проблема, однако, в том, что отрицательно заряженный графеновый слой активно отталкивает ДНК с тем же зарядом. Обойти это препятствие удалось исследователям Калифорнийского университета в Беркли и Корейского университета в Сеуле, описавшим свое достижение в журнале Nano Letters.

Успех был достигнут с помощью самособирающейся оптической антенны в виде наночастицы золота, поверхность которого представляет собой плазмон, или совокупность электронов, генерирующих свет. Близкая к сферической форма наночастицы образуется при освещении располагаемого на графене наностержня. Фотоны при этом претерпевают конверсию в тепло, и процесс заканчивается внедрением наночастицы в графен.

А далее – все по классической схеме: в силу своих плазмонных свойств наночастица концентрирует свет в нанообласти, что ведет к «прожиганию» графеновой нанопоры для пропускания ДНК. Преимуществом подобной самосборки является возможность тонкой настройки свойств поры и плазмонной наноантенны. Благодаря этому достигается существенное усиление оптического сигнала при прохождении нуклеотидов – «букв» ген-кода – сквозь пору.

Одноатомная толщина графена позволяет осуществлять считывание последовательностей с высочайшим разрешением и скоростью. Сегодня для повышения надежности результатов приходится делать многочисленные «считывания», скорость же прохождения молекул ограничена многими факторами. Само считывание облегчается классическим окрашиванием каждой из четырех «букв»-нуклеотидов специфичным флюоресцентным красителем. Яркость светящейся метки дополнительно усиливается при прохождении нанопоры и присутствующей тут же оптической антенны в виде золотой наночастицы с ее плазмонами.

Авторы пишут в своей статье, что «настроить» антенну можно и для прямой (непосредственной) детекции не только нуклеиновых кислот, но и протеинов, а также их взаимодействий друг с другом, определения тонких взаимоотношений белков и ДНК. Это очень важно для понимания механизмов работы генов – их включения-выключения, – а также других биологических систем.