Ученые разработали платформу для бесконтактного управления ДНК с помощью электрических полей
Ученые разработали инновационную платформу, которая позволяет управлять молекулами ДНК на расстоянии с помощью электрических полей, не требуя прямого контакта. Этот метод обеспечивает точный контроль над генетическим материалом, исключая риск его повреждения. В основе системы лежит использование внутренних электрических свойств молекул ДНК, что дает возможность их удерживать или освобождать, не ломая их. Ожидается, что данная технология позволит проводить более быстрый и детальный молекулярный анализ, что будет полезно как для диагностики заболеваний, так и для геномного картирования.
В течение многих лет наноконфайнмент (пространственное ограничение) нитей ДНК применялся для углубленного изучения отдельных молекул или для таких манипуляций, как макромолекулярное растяжение при геномном картировании. Для этого молекулярные биологи используют нанофлюидные устройства, которые удерживают нити ДНК с помощью предварительно созданных наноструктур, обеспечивающих контроль над геометрическим положением молекул.
Однако эти устройства ограничены недостаточной гибкостью, которую обусловливают статичные структуры наноконфайнмента. Эти жесткие системы не позволяют регулировать или модулировать удержание in situ. Кроме того, нити ДНК могут разрываться при введении новых молекул в среду ограничения. Эти деликатные и трудоемкие манипуляции ограничивают количество молекул, доступных для анализа.
Для преодоления этих препятствий рассматривались подходы активного удержания. Они в основном заключаются в интеграции систем модуляции конфайнмента, таких как толкатели с линзами на пьезоэлектрическом приводе или пневматические контроллеры. Однако их реализация остается сложной и по-прежнему несет риск повреждения нитей ДНК, не говоря уже о необходимости специальной технической конфигурации.
Как пояснил в блоге Университета Макгилл Матеус Азеведо Силва Пессоа, аспирант и исследователь в области нанофлюидики на физическом факультете, предыдущие модели требовали механического контроля молекул для их захвата. Молекулы нужно было удерживать в желобке для изучения, а затем механически активировать пластину или крышку, чтобы переместить их в лунку. Но они могут разрываться, а контроль над их положением крайне ограничен.
В своем недавнем исследовании Пессоа и его коллеги предложили новый подход к наноконфайнменту, основанный на использовании электрических полей без механического контроля. Такой метод позволяет наблюдать специфическую динамику ДНК, поскольку молекулы можно удерживать сколь угодно долго, не разрывая их, и изучать эффекты изменений в электрическом поле, используемом для их захвата.
Предыдущие исследования уже показывали, что электрические поля можно использовать для контроля микроокружения молекул ДНК в растворе, применяя комбинацию электрокинетических сил. Реакция молекул на эти поля происходит за чрезвычайно короткие промежутки времени. Таким образом, применение внешнего смещения могло бы обеспечить быстрый и точный контроль молекулярной среды.
Однако предыдущие методы были ограничены необходимостью использования высокого напряжения, что снижало управляемость движения молекул. Команда в рамках нового исследования предложила решение — сетку наноэлектродов, позволяющую регулировать электрическое напряжение на определённой частоте, подобно тонкой настройке AM-радио. Этот точный контроль позволяет удерживать молекулы ДНК, не повреждая их.
Исследователи в своей статье, опубликованной в журнале Science Advances, заявляют, что им удалось решить основные проблемы, связанные с реализацией удержания на основе модулированного во времени электрического поля с помощью динамического управления сетками наноразмерных электродов.
Конкретно подход, названный «электрокинетическим конфайнментом», основан на наборе параллельных пластин. Верхние проводящие поверхности расположены вертикально на нижней поверхности, содержащей массивы лунок с наноэлектродами. Эти лунки создаются путем нанометрового травления слоя нитрида кремния, покрывающего нижележащий проводящий слой.
При подаче напряжения смещения на систему электродов в пространстве генерируется электрическое поле, силовые линии которого концентрируются внутри и вокруг лунок. Это создает электрическое поле в форме воронки, удерживая электрически заряженные молекулы внутри этих полостей. По словам исследователей, помимо удержания, платформа также позволяет по желанию освобождать молекулы.
Кроме того, система позволяет контролировать степень удержания молекул ДНК и наблюдать за их поведением в реальном времени. Манипуляция ДНК в наномасштабе также может позволить модулировать определенные химические реакции, такие как активация липосом — липидных везикул, часто используемых для доставки лекарств.
Исследователи полагают, что в конечном итоге эта технология может быть использована для моделирования клеточных сред, что делает данное устройство потенциальным инструментом для диагностики генетических заболеваний и изучения поведения ДНК на молекулярном уровне.