Российские ученые создали экспериментальный образец графенового биосенсора для детектирования фермента свертывания крови тромбина с помощью коротких цепочек ДНК. Устройство может быть использовано для мониторинга состояния больных гемофилией и пациентов с другими расстройствами гемостаза: ДВС-синдром, пурпура, болезнью Виллебранда и др. Работа выполнена сотрудниками Межотраслевого инжинирингового центра «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана и факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В. Ломоносова. Результаты опубликованы в журнале Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures.
Графен можно модифицировать: присоединить к его поверхности биополимеры (например, молекулы ДНК или РНК), способные связываться с различными биомолекулами – маркерами тех или иных заболеваний. Реакция связи влияет на электрическое сопротивление графена. По его изменению можно судить о типе и концентрации биомолекул в живом организме, а значит – о развитии болезни. На этом принципе основано применение графена для разработки сверхчувствительных биосенсоров.
Ученые из Бауманки и МГУ использовали оксид графена, то есть графен, содержащий на своей поверхности кислородосодержащие функциональные группы. Для целей эксперимента были важны карбоксильные группы (-СООН), которые расположены на краях чешуек оксида графена. Они образуют устойчивые соединения с аптамерами – короткими искусственно синтезированными ДНК или РНК цепочками, которые могут, аналогично антителам, избирательно взаимодействовать с различными маркерами патогенов или самими патогенами. В данной работе использовались аптамеры AmTBA (50-GGTTGGTGTGGTTGG-30), способные избирательно связываться с белком тромбином – важнейшим компонентом системы свертывания крови, по концентрации которого можно судить о развития болезней гомеостаза.
В отличие от превосходного проводника графена, оксид графена является диэлектриком. Он практически не проводит ток, использовать его в электрохимических биосенсорах бессмысленно. Ученые нашли способ вернуть ему проводящие свойства. Они удалили часть кислородсодержащих молекул с пленки оксида графена, облучив ее импульсным лазером (длина волны: 445 нм, мощность 25 Дж/см^2). В результате получился проводящий ток материал (частично-восстановленный оксид графена) с карбоксильными группами по краям, через которые производится связывание с аптамерам AmTBA и детектирование тромбина.
Было изготовлено 30 экспериментальных образцов биосенсоров на гибкой полимерной подложке с размером чувствительной части детектора 20х20 мм. Треть сенсоров оказались непригодными из-за высокого сопротивления (более 200 кОм). Остальные продемонстрировали высокую эффективность. Их отклик на целевой белок тромбин в 10 раз превысил отклик на эталонный белок, в качестве которого использовался неспецифичный для AmTBA альбумин.
– Мы продолжаем работать над созданием биосенсоров для диагностики различных заболеваний, в том числе гепатита B и C. Планируем использовать различные аптамеры и более сложный состав проводящего материала с включением углеродных нанотурбок. В перспективе мы хотим интегрировать наши биосенсоры в устройства «умной электроники» для непрерывного мониторинга состояния здоровья человека и дистанционной передачи этих данных в медицинские учреждения, – говорит первый автор статьи в Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, ведущий инженер Межотраслевого инжинирингового центра «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана Иван Комаров.
ДНК вообще вещь очень мощная.