Когда мир боролся с ковидом, учёные уже готовились к следующему. Чип из Израиля — это «страховка» от будущих пандемий

Когда мир только привыкал к слову «ковид», ученые уже думали о следующей эпидемии. В 2020 году команда профессора Роя Бар-Зива из Института Вейцмана начала собирать необычный «ускоритель иммунологии» — ДНК-чип, который помогает быстро понять, как именно антитела человека цепляются за вирус и насколько крепко держатся за цель.

Разработку описали в статье в Nature Nanotechnology. Главная идея проста и в этом же ее сила: вместо того чтобы заранее выращивать и очищать вирусные белки, чип делает их сам прямо на своей кремниевой поверхности. На каждом участке нанесен маленький «пятак» с ДНК, где записана инструкция для конкретного белка или фрагмента белка. Дальше исследователи добавляют бесклеточную смесь молекул, похожую на то, что обычно находится внутри живых клеток, и ДНК тут же переводится в нужный белок.

В обычных лабораторных схемах выяснить, какие антитела распознают вирус и как сильно они связываются с его частями, часто означает долгую рутину: по очереди получить каждый белок, очистить, затем прогнать тесты. На это уходят дни и даже недели. Есть и быстрые варианты на микрофлюидике, но они требуют сложных каналов, точных насосов и трубок. Новый чип, по словам авторов, обходится без насосов и трубок и при этом его можно быстро перенастроить под другой вирус, просто изменив набор напечатанной ДНК.

Один такой чип способен синтезировать примерно 30–40 вирусных белков или их фрагментов, например из разных вариантов коронавируса, включая наружный «шип» и внутренние компоненты. Для анализа нужно около 1 микролитра сыворотки, это меньше капли, и результат получается как подробный «иммунный отпечаток» по десяткам мишеней сразу. Поскольку каждый антиген находится в своей точке на поверхности, исследователи отдельно измеряют, сколько антител связывается с каждой мишенью, а главное, оценивают силу связывания, то есть аффинность. В команде объясняют это просто: вместо ответа «да или нет» получается измеряемая картина того, насколько уверенно антитело «хватает» свою цель, а это обычно связано с эффективностью иммунной защиты.

Авторы сравнили данные чипа с результатами стандартного ИФА (ELISA) на образцах человеческой сыворотки и заметили, что чип нередко видит активность антител там, где классический тест ее пропускает. Когда систему применили к белкам COVID-19 и антителам людей, выяснилось, что иммунные профили очень разные: у одних антитела хорошо узнавали исходный вариант из Уханя, но значительно хуже реагировали на дельту или омикрон. Такой подход, по замыслу разработчиков, помогает заранее оценивать, насколько изменения в новом варианте могут «ослабить» уже имеющийся иммунный ответ.

Чтобы показать, что платформа годится не только для чтения иммунных ответов, команда воспроизвела на чипе ключевой контакт коронавируса с организмом: связывание спайк-белка с рецептором ACE2, через который вирус проникает в клетки. И спайк, и ACE2 синтезировались прямо на чипе и специфически связывались друг с другом. Это открывает дорогу к скринингу потенциальных препаратов на месте: добавить антитело или другую молекулу-кандидат и посмотреть, ослабнет ли сигнал связывания. Если ослабнет, значит кандидат мешает вирусу «прилипнуть» к рецептору.

Дальше планы выглядят как попытка превратить лабораторный инструмент в систему готовности к вспышкам. Команда начинает сотрудничество с медицинским центром Sheba, чтобы отслеживать иммунные ответы у пациентов с COVID-19 во времени и связывать данные о антителах с историей болезни, в надежде найти закономерности, полезные для разработки будущих вакцин. А следующим шагом они называют ИИ: идею в том, чтобы быстро проверять на чипе антитела, которые сначала «придумал» компьютер, и сразу измерять их свойства. В идеальном сценарии, если завтра появится новый вирус, достаточно взять его генетическую последовательность, напечатать нужные участки ДНК, получить белки на чипе и почти сразу начать тестировать антитела и кандидаты в терапии.