Ученые разработали новый способ проводить химические реакции в очень миниатюрном формате и работать всего лишь с тысячей молекул. Этот метод может стать полезным в технологиях скрининга, широко использующихся в разработке новых лекарств и материалов.

Особенность новой системы – это четкая пространственная детерминированность химического превращения, определяемая участками пересечения полимерных нановолокон. Другими словами, реакция происходит в сетчатой матрице, состоящей из двух типов полимерных волокон, и только в тех местах, где волокна пересекаются между собой. Проведение такой реакции представляет собой простой и недорогой процесс. В числе предполагаемых его применений – упрощение трудоемких исследовательских задач по выявлению взаимодействия различных веществ с белками или нуклеиновыми кислотами, обнаружение следовых количеств определенных молекул, детекция биохимических характеристик белков – онкомаркеров.

Новый подход является высокопроизводительной альтернативой микрожидкостным чипам, выполнение небольших реакций в которых происходит в объеме, к которому подведены микроскопические трубки и насосы.

Химические превращения в пересечениях:
полиуретановые нановолокна, расположенные
перпендикулярно друг к другу и несущие
различные реагенты, инициируют реакцию
только в областях их пересечений. На
рисунке показана наглядная реакция с
появлением флуоресценции в результате
взаимодействия веществ.

Автор нового метода – Павел Анценбахер (Pavel Anzenbacher) из университета Боулинг-Грин (Bowling Green State University, Огайо, США). В работе, опубликованной в Nature Chemistry, Анценбахер продемонстрировал 4 типа химических реакций на матрице из нановолокон с участием зептомолярных (10E-21) количеств реагентов, то есть примерно всего лишь с 1000 молекул.

В числе приведенных в работе примеров – наглядная реакция двух веществ, взаимодействие которых вызывает флуоресценцию. Павел Анценбахер занимается разработкой новых флуоресцентных красителей, и идея создания нового метода быстрой детекции взаимодействия веществ была результатом поиска пути оптимизации процесса скрининга многочисленных молекул.

Полимерные нановолокна получают с помощью метода электроспиннинга (electrospinning). Раствор полимера (полиуретана) дозируется тонкой иглой, к концу которой приложено пульсирующее электрическое напряжение. Под действием электрического поля растворитель испаряется и тонкая струя раствора превращается в полимерное волокно диаметром 100–300 нм. Если образующиеся волокна расположить перпендикулярно, предварительно добавив в каждый из двух растворов полимера соответствующие реагенты, то получится сеть, волокна одного направления которой содержат один реагент, а перпендикулярно расположенные волокна – другой. В областях пересечения волокон при небольшом нагревании полимер расплавится и реагенты будут смешиваться, реагируя между собой.

Продукты реакции можно детектировать различными методами: например, флюориметрически или масс-спектрометрически. Таким способом можно выявить тысячи белковых взаимодействий в очень маленьких образцах.

На рисунке показана подробная схема элемента наносети, в которой происходит химическая реакция. В обычных условиях пересекающиеся волокна полимера не реагируют между собой, но при небольшом нагревании они сплавляются в местах пересечений, инициируя в их объеме (аттолитровой величины, 10Е-18 л) реакцию.

Значимые преимущества этого метода – экономичность в отношении используемых реагентов и токсическая безопасность. Поскольку при высокопроизводительном скрининге исследователю приходится сталкиваться с тысячами новых, еще не изученных веществ, несколько молекул которых могут проявить сильное отравляющее воздействие, оказывается полезным свойство полимерной системы не испарять заключенные в ней реагенты.

Мария Костюкова