Тест на смертельную болезнь — теперь проще, чем заварить чай. С вас — всего 50 центов и 2 минуты

Представьте: опасное заболевание вроде рака или ВИЧ можно выявить прямо дома, потратив на это меньше, чем стоит билет на общественный транспорт. Учёные из Массачусетского технологического института сделали шаг к такой реальности — они разработали компактный одноразовый сенсор на основе ДНК, способный точно обнаруживать признаки болезни и оставаться работоспособным даже без холодильника на протяжении нескольких недель.

В основе устройства — технология электрохимического анализа. Прибор использует фермент, позаимствованный из системы редактирования генов CRISPR .

Принцип работы можно сравнить с газонокосилкой, только вместо травы разрушаются отдельные фрагменты ДНК . Как только фермент сталкивается с целевой молекулой — например, с генетическим маркером, связанным с онкологией, — он активируется и начинает разрезать окружающие нити, закреплённые на сенсоре. Эти изменения вызывают сдвиг электрического сигнала, что и позволяет зафиксировать присутствие заболевания.

Ранее подобные сенсоры имели серьёзный недостаток: их чувствительный слой быстро разрушался, а для сохранности требовалось постоянное хранение в холодильнике. Всё это сильно ограничивало применение технологии за пределами лабораторий.

Инженеры MIT предложили простое и доступное решение. Они применили полимерное покрытие, которое стабилизирует структуру ДНК минимум на два месяца даже при высоких температурах. В качестве основы взяли поливиниловый спирт — недорогой материал, хорошо известный своей способностью образовывать тонкую защитную плёнку.

Эксперименты подтвердили эффективность такой защиты. Даже после двухмесячного хранения при температуре около 65 градусов Цельсия сенсоры продолжали исправно работать. После удаления полимерного слоя прибор успешно обнаруживал биомаркер PCA3 — ген, связанный с раком предстательной железы. При этом для анализа использовался простой образец мочи.

Себестоимость одного такого сенсора составляет всего 50 центов. Это позволяет говорить о перспективах массового производства, особенно для регионов, где доступ к медицинским лабораториям ограничен.

Конструкция устройства довольно проста. В его основе — тонкая полоска сусального золота, покрытая ДНК, закреплённая на пластиковом основании. Для прочного соединения молекул с металлом используется соединение на основе серы, известное как тиол.

Идея разработки таких сенсоров появилась у исследовательской группы MIT ещё в 2021 году. Тогда аналогичные технологии уже успешно определяли фрагменты генетического материала вирусов, включая ВИЧ и вирус папилломы человека. За активацию системы отвечал фермент Cas12 — «родственник» известного Cas9, применяемого в CRISPR .

Как только целевой фрагмент ДНК попадал в зону действия сенсора, фермент запускал цепную реакцию: окружающие нити разрушались, а изменение электрического сигнала фиксировалось с помощью портативного прибора — потенциостата.

Полимерное покрытие надёжно защищает чувствительные элементы устройства от внешней среды. Особенно опасны активные формы кислорода, способные повреждать молекулы и разрушать связь с основанием, что делало прежние версии сенсоров непригодными для диагностики.

После высыхания плёнка образует плотный барьер. Чтобы подготовить прибор к работе, достаточно промыть его поверхность — полимер удаляется, и сенсор готов к использованию.

Тесты показали, что устройства стабильно работают с разными биоматериалами, включая слюну и мазки из носоглотки. Благодаря гибкости конструкции сенсоры можно оперативно адаптировать для поиска новых патогенов. Программируемые направляющие РНК позволяют настраивать их под конкретную угрозу — что особенно важно в случае появления неизвестных инфекций.

Чтобы ускорить внедрение технологии на практике, команда профессора Ариэль Фёрст присоединилась к стартап-акселератору delta v при MIT. Исследователи уже готовятся к полевым испытаниям, чтобы проверить работу устройств с реальными образцами. Результаты подробно описаны в статье, опубликованной 30 июня в журнале ACS Sensors .