Флуоресцентные нуклеиновые кислоты для диагностики
Можно ли генетический анализ, требующий громоздкого оборудования, провести у постели больного с помощью одного лишь флуоресцентного свечения? Это может стать реальностью в будущем благодаря работе ученых, которые учатся перепроектировать самые фундаментальные молекулы жизни — нуклеиновые кислоты. Исследователи из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН выступают в роли современных архитекторов ДНК и РНК, создавая их искусственные аналоги с заданными свойствами. Их последнее достижение — создание светящихся производных нуклеиновых кислот, которые открывают путь к созданию революционных биосенсоров для мгновенной диагностики рака и других заболеваний, суля переворот в персонализированной медицине и сельском хозяйстве.
Началом этого научного пути стала работа с фосфорилгуанидинами — одним из типов производных нуклеиновых кислот. Однако, столкнувшись с ограниченностью этого класса, научная группа под руководством заместителя директора по научной работе ИХБФМ СО РАН Александра Анатольевича Ломзова поставила перед собой амбициозную цель — расширить химическое разнообразие таких молекул. Результатом их усилий стало мировое первенство в создании фосфорамидных азольных олигонуклеотидов, представляющих собой короткие фрагменты ДНК. Ключевым преимуществом этого открытия является не только новизна, но и технологичность: синтез этих соединений легко осуществляется на стандартном автоматическом синтезаторе, что открывает дорогу для их широкого применения.
Практическое применение новых производных было продемонстрировано на первом этапе исследований, посвященном усовершенствованию полимеразной цепной реакции (ПЦР). Ученые выяснили, что их модифицированные нуклеиновые кислоты повышают эффективность и специфичность метода аллель-специфичной ПЦР. Этот метод критически важен для выявления однонуклеотидных замен в ДНК, которые часто ассоциированы с развитием онкологических заболеваний.
Способность точно определить конкретный вариант гена позволяет не только диагностировать предрасположенность к раку, но и составить точный прогноз течения болезни и подобрать наиболее эффективную, персонализированную стратегию лечения для каждого пациента. При этом, как подчеркивает Александр Ломзов, проделанная работа — лишь первый шаг, и впереди масштабные изыскания по подбору уникальных модификаций для выявления всех остальных типов мутаций.
Следующим логическим шагом ученых стало усложнение структуры молекул. Добавив третье кольцо в бензоазольную модификацию, они неожиданно для себя наделили производные нуклеиновых кислот способностью к флуоресценции. Это свойство открыло перед исследователями принципиально новые диагностические возможности, выходящие за рамки ПЦР. Способность светиться при облучении светом определенной длины волны легла в основу гибридизационного анализа, в ходе которого флуоресцентный зонд, соединяясь с комплементарной последовательностью искомого фрагмента ДНК или РНК, сигнализирует об этом изменением свечения.
Именно это свойство и является основой для создания биосенсоров будущего. Как пояснил Александр Ломзов, такой сенсор кардинально упростит процесс диагностики. Отпадет необходимость в сложном лабораторном оборудовании, дорогостоящих реактивах и многочасовых процедурах. Анализ на наличие конкретной генетической мутации или патогена можно будет провести прямо у постели больного, в кабинете врача или в полевых условиях, используя лишь сам образец и специальные зонды. Это приближает эру так называемой «лаборатории на чипе» и экспресс-диагностики.
Важно отметить, что сфера применения химически модифицированных нуклеиновых кислот не ограничивается одной лишь диагностикой. Как отмечает ученый, они уже нашли применение в терапии. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрило к 2025 году 22 препарата на основе олигонуклеотидов. Химические модификации позволяют решить целый ряд критически важных задач: улучшить доставку лекарства строго в целевые клетки и ткани, продлить время его циркуляции в организме, снизить иммунный ответ и повысить специфичность воздействия на молекулярную мишень.
В сельском хозяйстве аналогичные подходы могут быть использованы для быстрого выявления патогенов у животных и растений, а также для ускоренной селекции, что способствует повышению продовольственной безопасности. Несмотря на столь впечатляющие прикладные перспективы, фундаментальная задача исследования остается первостепенной.
Ученые продолжают кропотливую работу по созданию обширной библиотеки производных нуклеиновых кислот, моделируя новые структуры, проверяя возможности их синтеза и тщательно изучая возникающие физико-химические и биологические свойства. Эти изыскания помогут решить еще множество нерешенных проблем как в фундаментальной, так и в прикладной науке, открывая новые горизонты для биотехнологий и медицины.
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
