Чтобы создать точный и надежный биосенсор, можно использовать сочетание графена и ДНК, сообщается в публикации в журнале о нанотехнологиях Small. Крошечный биосенсор в конечном итоге поможет врачам и ученым лучше понимать и диагностировать болезни.

Ученые Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory) Министерства энергетики США (Department of Energy) и Принстонского университета (Princeton University) показали, что одноцепочечная ДНК прочно связывается с графеном, наноматериалом из слоя углерода толщиной в один атом. Они также обнаружили, что графен защищает ДНК от разрушения ферментами, подобными тем, которые находятся в биологических жидкостях организма – особенность, которая делает ДНК-графеновые биосенсоры очень долговечными.

«Графен представляет для ученых огромный интерес, так как имеет несколько уникальных особенностей, включая простое и относительно недорогое получение»,  – говорит химик из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и один из авторов статьи Юхе Лин (Yuehe Lin). Но систематических исследований с использованием различных спектроскопических методов того, как графен взаимодействует с ДНК, до нас было проведено очень немного. Мы пришли к выводу, что они составляют удачную пару».

Ученые изучают потенциал наноматериалов – мельчайших частиц размером в одну миллиардную часть метра – несколько десятилетий. Все большее количество исследователей фокусируют свое внимание на графене, так как он проявляет свойства сверхпроводимости, исключительно прочен и имеет большую площадь поверхности. По сравнению с другими наноматериалами, такими как углеродные нанотрубки, его легче получать и использовать.

Нанотехнологии могут помочь в создании новых лекарственных препаратов, средств их доставки и в разработке диагностических биосенсоров.

ДНК-графеновый биосенсор определяет болезни, «отлавливая» связанные с ними молекулы. Как червяка на крючок, ученые помещают на кусочек графена ДНК гена, вносящего вклад в развитие заболевания. Затем они опускают «крючок» биосенсора в исследуемую кровь, слюну или другую жидкость организма. Если ДНК вызвавшего болезнь гена находится в жидкости и «хватает приманку», биосенсор выдает сигнал, обнаруживаемый учеными.

Двухцепочечная природа ДНК наших генов делает такую «рыбалку» вполне возможной. Нормальная двухцепочечная ДНК выглядит как винтовая лестница. Но одноцепочечная ДНК напоминает гребень: она состоит из последовательности букв ДНК, или азотистых оснований, которые торчат из «хребта» макромолекулы и ищут комплиментарные им основания для образования пары. Когда комплиментарные последовательности одноцепочечной ДНК встречаются, пары оснований образуют ступени винтовой лестницы.

Чтобы сконструировать ДНК-графеновый биосенсор, ученые должны понимать, как ДНК и графен взаимодействуют друг с другом. Чтобы проследить за молекулами ДНК, свободно плавающими в пробирке, Лин и его коллеги, включая ведущего автора Дживэнь Тана (Zhiwen Tang), прикрепили к ним светящиеся флуоресцентные молекулы. Затем они смешали флуоресцирующие ДНК с графеном. Вступив в контакт с графеном, одноцепочечные ДНК тускнели. Но яркость двухцепочечных ДНК при тех же условиях уменьшалась очень незначительно. Дальнейший анализ с помощью нескольких спектроскопических методов показал, что связь графена с одноцепочечной ДНК намного прочнее, чем с ее двухцепочечной «кузиной». Ученые даже высказали предположение, что графен меняет структуру одноцепочечной ДНК.

Чтобы выяснить, можно ли разорвать связь одноцепочечной ДНК с графеном, сделав ее двухцепочечной, исследователи добавили простую одноцепочечную ДНК, имеющую комплиментарную последовательность нуклеотидов. Помеченные флуоресцентными молекулами одноцепочечные ДНК засветилась ярче. Это означало, что первоначально содержащиеся в жидкости одноцепочечные молекулы соединились с добавленными комплиментарными цепочками и образовали двухцепочечные ДНК, отделившиеся от поверхности графена.

Затем ученые проверили, как одноцепочечная ДНК на поверхности графена взаимодействует с «партнерами». Они поместили ДНК-графеновые биосенсоры в две разные пробирки. В одну они добавили комплиментарную цепочку, основания которой идеально подходили в цепочке ДНК, уже связанной с графеном. В другую – комплиментарную цепочку, в которой одно основание не соответствовало оригинальной цепочке ДНК на поверхности графена.

После введения комплиментарной ДНК обе пробирки стали светиться сильнее. Но свет из пробирки с идеально соответствующими друг другу цепочками был в два раза ярче, чем из пробирки со слегка несовпадающей ДНК. Способность распознавать мишени-цепочки ДНК в пределах несоответствия одного нуклеотида – называемая высокой специфичностью – должна сделать ДНК-графеновые биосенсоры более точными, чем другие, обычные линейные биосенсоры, считают ученые.

Исследователи также пришли к выводу, что графен помогает сделать ДНК более устойчивой. Они поместили в пробирки два вида одноцепочечных ДНК – один был связан с графеном, а другой свободно плавал в жидкости. Затем они добавили ДНКазу – разрушающий ДНК фермент – в обе пробирки и обнаружили, что свободные цепочки ДНК разрушены, в то время как ДНК-графеновые наноструктуры остаются интактными в течение как минимум 60 минут. Ученые предполагают, что такая защита делает ДНК-графеновые платформы очень подходящими для визуализации и доставки генов в организм пациента.

Иллюстрация того, как помеченные флуоресцентными молекулами ДНК взаимодействуют с функционализированным графеном. Как одноцепочечные (А), так и двухцепочечные ДНК (В) адсорбируются на поверхности графена, но взаимодействие с одноцепочечными ДНК сильнее, что приводит к более выраженному ослаблению флуоресценции. С) Комплиментарная ДНК приближается к одноцепочечной ДНК и заставляет адсорбированную одноцепочечную ДНК отделиться от поверхности графена. D) Адсорбированная на графене ДНК защищена от разрушения ферментами.

«Простая конструкция и огромная долговечность ДНК-графеновых биосенсоров делают возможной диагностику с их помощью опасных для жизни заболеваний», – говорит Лин. «Сейчас мы с коллегами собираемся изучить, может ли способность графена защищать ДНК от ферментов помочь ДНК-графеновым структурам доставлять лекарственные препараты в больные клетки или даже оказаться полезными в генной терапии».

Аннотация к статье Zhiwen Tang, Hong Wu, John R. Cort, Garry W. Buchko, Youyu Zhang, Yuyan Shao, Ilhan A. Aksay, Jun Liu, Yuehe Lin. The Constraint of DNA on Functionalized Graphene Improves Its Biostability and Specificity