Флуоресцентные нанотрубки превратили в ловушки для бактерий и вирусов

Междисциплинарная исследовательская группа из германских городов Бохум, Дуйсбург и швейцарского Цюриха разработала новый подход к созданию модульных оптических датчиков, чтобы обнаруживать вирусы и бактерии. Исследователи использовали флуоресцентные углеродные нанотрубки с новым типом ДНК-якорей, которые действуют как молекулярные «ухваты».


На фотографии к этой новости — напечатанная на 3D-принтере наглядная модель углеродной нанотрубки, основного строительного блока для новых биосенсоров. В отличие от этой модели настоящие нанотрубки — в 100 тыс. раз тоньше человеческого волоса.

Созданные структуры с нанотрубками можно использовать для распознавания молекул антител, бактерий или вирусов. Взаимодействие с биологическими частицами влияют на флуоресценцию (свечение) нанотрубок, увеличивая или уменьшая их яркость.

Учёные использовали трубчатые наносенсоры из углерода диаметром менее одного нанометра. При облучении видимым светом углеродные нанотрубки испускают свечение в ближнем инфракрасном диапазоне. Ближний инфракрасный свет не виден человеческому глазу, однако идеально подходит, поскольку уровень других световых сигналов в этом диапазоне намного ниже.

В более ранних исследованиях те же учёные показали, как можно манипулировать флуоресценцией нанотрубок для обнаружения жизненно важных биомолекул. Теперь биохимики искали способ простой настройки углеродных сенсоров для использования с различными молекулами-мишенями.

Ключом к успеху были структуры ДНК с так называемыми квантовыми дефектами органического соединения гуанин. (Да, впервые выделенного в позапрошлом веке из экскрементов птиц, то есть гуано). При связывании оснований ДНК с нанотрубкой в кристаллической структуре трубки возникал дефект. В результате флуоресценция нанотрубок изменилась на квантовом уровне. Кроме того, дефект действовал как молекулярная ручка (то, за что хватаются), которая позволила внедрить блок обнаружения. А его, в свою очередь, можно адаптировать к соответствующей молекуле-мишени, чтобы распознать конкретный вирусный или бактериальный белок.


— Себастьян Крусс, профессор, соавтор исследования.

Группа учёных продемонстрировала образец датчика, используя в качестве примера белок печально известного и до сих пор актуального коронавируса. Своим свечением сенсоры с высокой степенью надёжности указывали на присутствие инфекции. Избирательность датчиков с квантовыми дефектами гуанина была выше, чем без таких особенностей. Более того, созданные сенсоры оказались устойчивее в растворе.

Практический вывод из научной работы состоит в том, что с германо-швейцарским изобретением появилась перспектива для диагностических систем, которые позволят выявлять признаки болезней в водных растворах с клетками пациентов.