Австралийские ученые объявили об изобретении «геношариков» (geneballs), которые могут анализировать генетическую информацию человека и определять его предрасположенность к тем или иным заболеваниям. Аспирант одного из университетов разработал кварцевые шарики диаметром не более одной десятой толщины человеческого волоса. Поверхность шарика испещрена каналами толщиной 10 нанометров, которые как губка могут впитывать флюоресцентную краску.

Вся система работает по принципу знакомого всем по магазинам штрих-кода — повехность «геношарика» покрыта специфической ДНК, каждый ген которой обладает уникальным цветом. ДНК, находящаяся на «геношарике», настроена на один определенный ген, с которым она и соединяется в образце исследуемой крови.

Ничего сенсационного в «геношариках» нет, просто разработано еще одно устройство из достаточно большого уже семейства биочипов.

Биологический родственник электронных чипов

Биочипы — это революционное достижение биотехнологии последних лет. Необычное устройство позволяет за короткое время определять несколько тысяч аллергенов, онкогенов, различных биологически активных веществ, и даже генетических дефектов. Технология белковых биочипов, заменяющих целые иммунологические лаборатории, дает возможность в тысячи и десятки тысяч раз увеличить производительность большинства диагностических методов и резко снизить себестоимость анализов.

Прообразом современных «живых чипов» послужил саузерн-блот, изготовленный в 1975 году Эдом Саузерном. Он использовал меченую нуклеиновую кислоту для определения специфической последовательности среди фрагментов ДНК, зафиксированных на твердой подложке. В России ученые начали активно разрабатывать тему биочипов только в конце 1980-х годов в Институте молекулярной биологии под руководством А.Д.Мирзабекова.

Биочип представляет из себя матрицу — крохотную пластинку со стороной 5-10 миллиметров, на которую можно нанести до нескольких тысяч различных микротестов. Профессионалы называют этот носитель «платформой». Чаще всего используют стеклянные или пластиковые платформы, на которые наносятся биологические макромолекулы (ДНК, белки, ферменты), способные избирательно связывать вещества, содержащиеся в анализируемом растворе.

В зависимости от того, какие макромолекулы используются, выделяют различные виды биочипов, ориентированные на разные цели. Основная доля производимых в настоящее время биочипов приходится на ДНК-чипы (94 процента), то есть матрицы, несущие молекулы ДНК. Оставшиеся 6 процентов составляют белковые чипы.

Биологические микрочипы во многом схожи с электронными — и те, и другие собирают и обрабатывают огромное количество информации на малой поверхности. И те, и другие состоят из огромного количества идентичных миниатюрных элементов, размещенных рядом друг с другом, — правда, ячейки биочипа по полупроводниковым меркам просто огромны — 100х100х20 микрометров.

При этом действие электронного, компьютерного чипа основано на ответе «да-нет», а биологический чип позволяет выбрать из миллионов или миллиардов возможностей единственно верную. Компьютерный чип производит миллионы математических операций в секунду, но и на биочипе за пару секунд проходят тысячи биохимических реакций.

Как работает биочип?

Генетический код человека хранится в виде двойной спирали ДНК, образованной двумя полимерными цепями. Каждая из этих цепей представляет собой длинную последовательность, образованную из четырех нуклеотидов: аденина, гуанина, тимина и цитозина. При этом последовательность одной цепи однозначно определяет последовательность другой, поскольку нуклеиновые кислоты, расположенные на одинаковых позициях в разных цепях, являются комплементарными.

То есть если на сто тридцатой позиции в одной цепи находится аденин, то на той же позиции во второй цепи должен находится тимин, а если на двадцатой позиции во второй цепи стоит цитозин, то с полной уверенностью можно утверждать, что в первой цепи на двадцатом месте стоит гуанин. Когда две цепи объединяются в спираль, между комплементарными нуклеиновыми основаниями образуются водородные связи, которые и удерживают цепи вместе.

Именно на способности комплементарных оснований образовывать химические связи основан принцип действия биологических чипов. В ходе реакции происходит взаимодействие комплементарных цепей ДНК: одна из них (ДНК-проба) с известной последовательностью нуклеотидов зафиксирована на подложке (пластине), а другая одноцепочечная ДНК-мишень (зонд), меченная флуоресцентной меткой, вносится в ДНК-чип.

Разработанный в России биочип — это стеклянная пластинка, на которую нанесены десятки едва видимых глазом полусферических гидрогелевых ячеек, диаметром менее 100 микрон каждая и содержащих известные вещества-маркеры. При взаимодействии биочипа с исследуемым образцом, предварительно обработанным светящимся (флуоресцентным) красителем, в соответствующих ячейках происходит химическая реакция, и тогда эти ячейки начинают светиться — тем сильнее, чем интенсивнее процесс.

По сути, именно в выявлении и сопоставлении наиболее ярко светящихся ячеек и заключается работа прибора-анализатора биочипов. Таким образом, определяются различные характеристики образца — например, присутствие в организме тех или иных возбудителей инфекций или, скажем, наличие в геноме каких-либо измененных генов.

Особенность российских биочипов в том, что их ячейки заполнены гелем трехмерной структуры. Такие гели удерживают большее количество пробы, нежели двумерные, и потому чувствительность отечественных биочипов выше, а, следовательно, ниже требования к регистрирующей аппаратуре. Немаловажно и то, что реакции в объемном геле протекают так же, как и в жидкостях — а значит, как и в живом организме. Это позволяет получить результат, максимально приближенный к реальности.

На Западе исследователи пошли по другому пути, и разработали для создания ДНК-чипов процесс фотолитографии, аналогичный процессу производства кремниевых процессоров. Например, Affimetrix (США) создал GeneChip-технологию, основанную на высокоплотных чипах, содержащих ДНК-последовательности, и предназначенную для анализа генетической информации человека.

Правда, хотя такие чипы обладают гораздо большей емкостью, стоят они значительно дороже, что пока позволяет использовать их исключительно в крупных исследовательских центрах или в коммерческих клиниках.

Другим методом конструирования биочипов является использование «технологии струйного принтера» для нанесения необходимого нуклеотида в строго определенное место матрицы. Он менее дорог, но при этом не позволяет достичь высокой скорости синтеза.

Будущее российских биочипов

Сейчас число размещаемых на российском биочипе ячеек достигает уже нескольких тысяч, а это соответствует тысячам пробирок с тысячами проводимых в них анализов. Такие биочипы представляют собой целые экспресс-лаборатории, которые дают возможность сэкономить массу времени как врачам, так и пациентам.

Чаще используются куда более дешевые биочипы с гораздо меньшим числом ячеек. Например, один-единственный простой чип может выявить все известные на сегодняшний день формы возбудителя туберкулеза, а также определить, каким именно антибиотиком нужно лечить конкретную форму. И определяется это не за несколько недель, как традиционным способом, а всего в течение несколько суток.

При помощи белковых чипов, несущих молекулы, «чувствительные» к различным низкомолекулярным соединениям, уже в самое ближайшее время можно будет определить наличие широкого спектра лекарственных веществ, гормонов, наркотиков, ядов, пестицидов практически в любом анализируемом материале — будь то кровь, вода, пища или образец почвы. Не составит проблемы и выявление штаммов вирусов иммунодефицита (ВИЧ) и гепатита.

Пока же в России основная масса разработок в этой области сосредоточена на создании биочипов для выявления урогенитальных инфекций, поскольку это наиболее востребованная тема. Например, потребность в биочипах только для столицы может составить не менее 1 миллиона штук в год.

На Западе и в России сейчас сформировалось два разных направления и два разных стандарта по созданию и применению биочипов. Российские биочипы дешевле, а западные объемнее. При этом в России биочипами занимаются пока преимущественно исследовательские лаборатории, а на Западе — это, в первую очередь, военные исследования и коммерческое производство чипов для диагностики. Остается надеяться, что хотя бы в области биочипостроения Россия не даст себя обогнать, как это случилось с электронными чипами.

mednovosti.ru