Создание оптических сенсоров на основе ДНК-аптамеров для детектирования биологических объектов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-74-10019

НазваниеСоздание оптических сенсоров на основе ДНК-аптамеров для детектирования биологических объектов

Руководитель Завьялова Елена Геннадиевна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-208 - Молекулярная биология

Ключевые слова аптамер, сенсор, аптасенсор, вирус, клетка, детектор, рамановская спектроскопия

Код ГРНТИ34.05.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Аптамеры на основе нуклеиновых кислот – перспективные молекулярные узнающие элементы для терапии и диагностики социально-значимых заболеваний, а также для создания аптасенсоров для детекции субстанций различной природы. Аптамеры представляют собой олигонуклеотиды длиной в несколько десятков нуклеотидов с уникальной пространственной структурой. Уникальная пространственная структура аптамера топологически комплементарна участку поверхности мишени, что позволяет специфически и высокоаффинно связывать мишень, в том числе в различных средах, например, в биологических жидкостях и in vivo. По своему действию аптамеры аналогичны антителам, однако простота химического синтеза, сборки структуры и низкая токсичность аптамеров дают им весомые преимущества в сравнении с антителами. В настоящее время известны сотни разных аптамеров к разным мишеням, включая клетки, белки и низкомолекулярные соединения; количество аптамеров растет экспоненциально из года в год. Аптамеры в качестве узнающих элементов - более технологичное решение, чем используемые в настоящее время антитела, поскольку аптамеры обладают большей стабильностью и могут быть разработаны к любой мишени, включая токсичные вещества и естественные метаболиты. Развитие сенсоров на основе аптамеров позволит создавать более стабильные и дешевые экспресс-системы, например, для диагностики возбудителей инфекционных заболеваний и токсических веществ. Низкая чувствительность современных методов диагностики ограничивает их применение, когда содержание патогенов в клиническом образце достаточно мало. Применение высокочувствительных методов диагностики, например, ИФА или ПЦР, возможно только для специально оборудованной лаборатории. Данный проект направлен на решение нескольких фундаментальных и прикладных проблем, важных для создания чувствительных и достоверных тест-систем на основе аптамеров. В качестве основного метода детекции мишени при связывании с аптамером выбрана высокочувствительная и экспрессная технология поверхностно - усиленного рамановского рассеяния (SERS, Surface Enhanced Raman Scattering), позволяющая добиться усиления сигнала в рядовых случаях в 10^6 раз, а в случае упорядоченных периодических массивов наночастиц – до 10^9 раз. Столь высокая чувствительность делает возможным детектирование считанного числа сорбированных молекул. Сочетание SERS как метода детекции и аптамеров в качестве узнающих элементов – новая область, которая только начинает развиваться. Именно поэтому для достижения высокой чувствительности и воспроизводимости тест-систем необходимо создание теоретических основ и проведение поэтапных работ по оптимизации SERS-систем на основе аптамеров. Подложки и коллоидные наночастицы, позволяющие получать ультравысокую чувствительность в SERS, могут быть представлены различными металлами, такими, как серебро, золото, алюминий или медь. Поэтому важной задачей проекта является выбор способа иммобилизации аптамеров на поверхности металла, выбор оптимальной длины линкера, оптимизация условий иммобилизации, обеспечивающих сохранение специфической пространственной структуры аптамеров. Одной из задач проекта является оптимизация SERS-структур под разные длины волн возбуждающего излучения для достижения максимальной чувствительности метода. Предлагается использовать планарные подложки с оптимизированной геометрией, коллоидные наночастицы и многослойные SERS-подложки. Для получения гигантских сигналов оптического отклика (условие детекции единичных молекул аналита) будут использованы комбинированные плазмонные и диэлектрические резонаторы. Кроме подстройки плазмонных и диэлектрических резонансов под длину волны лазера будет произведен подбор оптимального SERS-репортера, имеющего наиболее высокую вероятность рамановского рассеяния света и/или квантовый выход флюоресценции. Таким образом, изучение эффектов для ряда параметров, таких как длина волны возбуждающего излучения, тип подложек и металлических наночастиц, тип молекулы-репортера, сделает возможным выбор оптимальных условий для проведения тестов. Следующая задача проекта – изучение условий связывания аптамеров с мишенью в растворе и биологических жидкостях, условий фиксации специфических комплексов, введение специальных меток, способных при облучении определенной длиной волны резонировать с SERS-подложками, увеличивая чувствительность метода. Цель проекта – разработать принципиально новую технологию детекции, которая отличается быстрой и простой процедурой проведения анализа, высокой чувствительностью и специфичностью, возможностью подстройки системы для детекции различных субстанций (бактерий, вирусов, низкомолекулярных соединений), а также компактностью оборудования, простым пользовательским программным обеспечением и возможностью проведения анализов во внелабораторных условиях. Детекция будет проводиться с применением малогабаритной аппаратуры нового поколения – раман-флуоресцентных комплексов. В рамках проекта будут созданы прототипы детекторов к биологическим объектам принципиально разной природы и разного масштаба: вирусы гриппа, линии раковых клеток и низкомолекулярные соединения (на примере аденозина и его производных). Для детекции вирусов гриппа будут использованы аптамеры к гемагглютинину – поверхностному белку вируса, отвечающему за первичное узнавание клетки-хозяина. Для детекции раковых клеток будут использованы аптамеры к EGFR – рецептору, экспрессированному во многих типах рака, особенно в глиобластоме, раке легкого и проч. В качестве модельного объекта низкомолекулярного соединения выбран аденозин и его производные, для которых описаны аптамеры и разнообразные тест-системы с разной чувствительностью, что позволит провести сравнительный анализ прототипа тест-системы на основе SERS. В целом, проект направлен на внедрение аптамеров в качестве узнающих элементов сенсоров, развитие общей методологии SERS в приложении к биологическим молекулам и объектам. В дальнейшем полученные в рамках проекта результаты будут использованы в качестве методологической базы для создания экспериментальных высокочувствительных тест-систем для идентификации биологических объектов разной природы, таких как патогены, раковые клетки, метаболиты, опасные вещества.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Завьялова Е.Г., Копылов А.М. Energy Transfer as A Driving Force in Nucleic Acid–Protein Interactions Molecules, 24(7), 1443 (год публикации - 2019)
10.3390/molecules24071443

2. Кукушкин В.И., Иванов Н.М., Новосельцева А.А., Гамбарян А.С., Яминский И.В., Копылов А.М., Завьялова Е.Г. Highly sensitive detection of influenza virus with SERS aptasensor PloS ONE, 14(4): e0216247 (год публикации - 2019)
10.1371/journal.pone.0216247

3. Новосельцева А.А., Иванов Н.М., Новиков Р.А., Ткачев Я.В., Бунин Д.А., Гамбарян А.С., Ташлицкий В.Н., Арутюнян А.М., Копылов А.М., Завьялова Е.Г. Structural and Functional Aspects of G-Quadruplex Aptamers Which Bind a Broad Range of Influenza A Viruses Biomolecules, 10 (1), 119 (год публикации - 2020)
10.3390/biom10010119

4. Амбартсумян О., Грибанев Д., Кукушкин В., Копылов А., Завьялова Е. SERS-based biosensors for virus determination with oligonucleotides as recognition elements International Journal of Molecular Sciences, 21, 9, 3373 (год публикации - 2020)
10.3390/ijms21093373

5. Алиева Р.Ш., Завьялова Е.Г., Копылов А.М. Исследование связывания ДНК-аптамеров к EGFR с различными раковыми клетками, экспрессирующими EGFR, интерферометрическим методом Химия биологически активных веществ "ХимБоАктив-2019", с.264 (год публикации - 2019)

6. Грибанев Дмитрий, Жданов Глеб, Оленин Андрей, Лисичкин Георгий, Гамбарян Александра, Кукушкин Владимир, Завьялова Елена SERS-Based Colloidal Aptasensors for Quantitative Determination of Influenza Virus International Journal of Molecular Sciences, 22(4), 1842 (год публикации - 2021)
10.3390/ijms22041842

7. Бизяева А.А., Бунин Д.А., Моисеенко В.Л., Гамбарян А.С., Балк С., Ташлицкий В.Н., Арутюнян А.М., Копылов А.М., Завьялова Е.Г. The Functional Role of Loops and Flanking Sequences of G-Quadruplex Aptamer to the Hemagglutinin of Influenza a Virus International Journal of Molecular Sciences, 22(5), 2409 (год публикации - 2021)
10.3390/ijms22052409

8. Жданов Г.А., Грибанев Д.А., Кукушкин В.И., Гамбарян А.С., Завьялова Е.Г. SERS-АПТАСЕНСОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВИРУСОВ В ЖИДКИХ СРЕДАХ Сборник тезисов Всероссийской конференции молодых ученых, посвященной 120-летию со дня рождения академика А. А. Смородинцева, Санкт-Петербург, ПОЛИТЕХ-ПРЕСС,, 22-23 (год публикации - 2021)

9. Бунин Д.А., Новосельцева А.А., Завьялова Е.Г., Копылов А.М. Димерные ДНК-аптамеры к гемагглютинину вируса гриппа Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2020» (год публикации - 2020)

10. Жданов Г. А., Грибанев Д. А., Кукушкин В. И., Завьялова Е. Г. Коллоидные SERS-аптасенсоры для определения вирусов в жидких средах Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2021» (год публикации - 2021)

Публикации