Аптасенсор работает близко к реальному масштабу времени и позволяет без усилий проводить простые тесты на наличие конкретного типа бактерии в реальных условиях.

Контроль над распространением заболеваний всегда был одной из важнейших задач здравоохранения. Однако при использовании стандартных методов исследование образца, взятого для определения микробиологической угрозы, занимает, по меньшей мере, два дня. Конечно, предпринимаются различные попытки создания быстрых систем детектирования. Были достигнуты некоторые успехи, но при этом довольно много времени уходило на предварительную подготовку образцов для анализа. По-прежнему нужен чувствительный, селективный, простой в использовании, недорогой метод прямого детектирования и количественного определения целых живых патогенных бактериальных клеток.

Электрохимические способы имеют ряд преимуществ – быстрый отклик, простота использования, небольшие и недорогие детекторы, выпускаемые промышленностью. Среди электрохимических сенсоров в последнее время особенно популярны потенциометрические, в которых аналитическим сигналом служит потенциал индикаторного электрода. Однако при исследовании биологических материалов, особенно малых количеств живых клеток, взаимодействие рецептор – бактерия дает очень слабый электрохимический сигнал. Группа испанских исследователей из Universitat Rovira i Virgili, г. Tarragona (Испания) разработала новый биосенсор, с помощью которого можно практически мгновенно обнаружить очень малые количества вредных бактерий Salmonella typhi  – это род неспороносных бактерий длиной 1–7 мкм и шириной около 0.3–0.7 мкм, вызывающих брюшной тиф.

В биосенсоре используются одностенные углеродные нанотрубки (ОСНТ) и фрагменты синтезированных рибонуклеиновых кислот (РНК). Для этого был синтезирован гибридный материал аптамер-ОСНТ, который действует одновременно и как чувствительный слой биосенсора, и как физический преобразователь сигнала. Как показали недавние исследования, ОСНТ являются эффективными ион-электронными преобразователями в потенциометрическом анализе. Однако для селективного детектирования определенной мишени нанотрубки необходимо снабдить подходящими рецепторами. Иследователи использовали аптамеры (от латинского aptus – подходящий).

Аптамерами называют небольшие молекулы нуклеиновых кислот, которые способны распознавать и специфически связывать интересующие структуры (молекулы-“мишени”). Суть технологии получения аптамеров рибонуклеотидной природы (РНК-аптамеров) заключается в следующем. Искусственно синтезируются короткие однонитевые РНК, состоящие из трех частей: по краям последовательности нуклеотидов у всех молекул РНК одинаковы, а центральную часть (длиной около 20–30 нуклеотидов) можно изменять, создавая огромное число разнообразных коротких РНК, среди которых всегда найдется нужная, которая специфически связывается именно с мишенью.

Испанские исследователи нанесли толстый (30 мм) слой предварительно карбоксилированных ОСНТ на поверхность электродного стержня из стеклоуглерода, затем на этом слое иммобилизовали РНК-аптамер для бактерий Salmonella typhi (он недавно был синтезирован). При измерениях использовался фосфатный буфер (рН=7.4).

Если ST-бактерий нет, аптамеры (самосборка аптамеров) остаются на стенках нанотрубок. Присутствие бактерии-мишени ST вызывает конформационное изменение в аптамере (рис. 1), приводящее к изменению заряда в слое и последующему изменению измеряемого потенциала. Это происходит в течение нескольких секунд. Воспроизводимость результатов очень высокая.

Рис. 1. а – Самосборка аптамеров на слое ОСНТ;

b – схематическое представление взаимодействия бактерии-мишени с гибридным материалом ОСНТ/аптамер Контрольные эксперименты подтвердили, что сигнал обусловлен исключительно взаимодействием между ST-бактерией и аптамером и последующим преобразованием слоя ОСНТ. Исследователи проверили несколько вариантов сенсоров – с ОСНТ, но без аптамера; стеклоуглеродный сенсор без нанотрубок, но с аптамером или с другой функционализацией. Никакого изменения потенциала не было зарегистрировано. Параллельные эксперименты с грамм-отрицательными кишечными палочками и грамм-положительными лактобактериями подтвердили высокую селективность биосенсора – отклика на эти микроорганизмы не было.

Аптасенсор работает близко к реальному масштабу времени, он может детектировать живые организмы в чрезвычайно низких концентрациях – 1 ST клетку в 5 мл буферного раствора. И, что очень важно, с помощью такого биосенсора можно проводить простые тесты на наличие или отсутствие конкретного типа бактерии в реальных условиях.

Необходимо так же отметить, что идея использования биосенсоров на основе углеродных нанотрубок рассматривалась и ранее. Предлагалось использовать очень высокую чувствительность одностенных углеродных нанотрубок в процессе адсорбции. Адсорбция даже одной молекулы детектируемого вещества приводит к изменению электронной структуры трубки, что, в свою очередь, отражается на спектрах фотолюминесценции. Совместив молекулу ДНК с углеродной нанотрубкой, удается получить уникальный биологический сенсор. Таким устройствам посвящена работа «Multimodal optical sensing and analyte specificity using single-walled carbon nanotubes», опубликованная в журнале Nature Nanotechnology.

Антон Рогожин