Исследовательская группа Химического института имени А. М. Бутлерова Казанского федерального университета представила уникальный электрохимический ДНК-сенсор, способный оценивать реальную биологическую эффективность природных антиоксидантов в напитках. В основе разработки — сочетание зеленых растворителей, углеродных наноматериалов и полимерных красителей, что делает ее не только высокотехнологичной, но и экологически безопасной.
В последние годы внимание биологов, химиков, медиков и нутрициологов все чаще обращено к проблеме повреждения ДНК. Окислительный стресс — процесс, при котором свободные радикалы атакуют клетки и их генетический материал, считается одним из основных факторов старения и пусковым механизмом развития тяжелых заболеваний. Среди них — онкологические патологии, нейродегенеративные болезни, синдром Вернера и многие другие состояния, связанные с нарушением стабильности генома.
Созданный в КФУ биосенсор объединяет сразу несколько инновационных решений, сочетающих современные нанотехнологии и принципы зеленой химии. В качестве базового компонента ученые использовали углеродные наноматериалы — структуры с развитой поверхностью, обладающие высокой электропроводностью и биосовместимостью. Они обеспечивают чувствительность сенсора и стабильность сигналов в ходе анализа.
«Нанокомпозит преобразует гладкую поверхность электрода в сложную разветвленную трехмерную структуру. Такое изменение значительно увеличивает эффективную площадь поверхности электрода и, как следствие, количество доступных для связывания центров, что существенно повышает чувствительность анализа»,— рассказала ведущий инженер кафедры аналитической химии Химического института им. А. М. Бутлерова Анастасия Маланина.
Краситель выступает в роли электрохимически активного индикатора. В полимерной форме он образует прочную пленку, способную эффективно взаимодействовать с ДНК. Такое решение делает сенсор воспроизводимым, стабильным и пригодным для серии последовательных измерений.
«В этом процессе ключевую роль играют углеродные наноматериалы и полимер поли (нейтральный красный). Сами по себе углеродные наноматериалы обладают отличной электропроводностью, но при этом не реагируют на изменение структуры ДНК. Нейтральный красный, в свою очередь, синтезируется с использованием анилина (или его производных), что влияет на его структуру и свойства. Этот полимер выполняет роль подложки, надежно удерживающей ДНК на поверхности электрода, и обеспечивает формирование аналитического сигнала. Совместное использование этих компонентов приводит к образованию модифицирующего покрытия. Именно оно реагирует на малейшие повреждения в структуре ДНК, вызывая изменения электрического тока и таким образом обеспечивая значительно более высокую чувствительность анализа»,— объяснила Анастасия Маланина.
Ключевой особенностью разработки является способ нанесения полимерной пленки на электрод. Вместо токсичных органических растворителей исследователи использовали глубокий эвтектический растворитель релин — смесь холин хлорида (витамин B4) и мочевины.
«При выборе глубокого эвтектического растворителя мы руководствовались несколькими факторами. Первая причина — это низкая токсичность мочевины по сравнению с другими компонентами традиционно используемых эвтектических смесей. Поскольку разработанный сенсор предполагает определение легкоокисляемых соединений в напитках и пищевых продуктах, использование менее токсичных компонентов соответствует принципам зеленой химии. Вторым преимуществом использования является структура поверхности получаемого полимера. Микрогранулированные полимерные пленки имеют больше активных центров для взаимодействия с ДНК. При этом в условиях проводимых вольтамперометрических измерений компоненты растворителя не окисляются и не оказывают мешающего влияния на аналитический сигнал»,— проинформировала инженер.
Сенсор моделирует процесс повреждения биомолекулы ДНК под воздействием свободных радикалов, а затем оценивает, насколько эффективно тестируемый напиток способен предотвратить эти повреждения.
«На вольтамперограммах мы регистрируем сигнал полимерной формы поли (нейтрального красного). Отрицательно заряженные фосфатные группы ДНК влияют на электропроводность этой пленки и, соответственно, на величину сигнала. При повреждении происходит нарушение ее структуры, и количество доступных для взаимодействия фосфатных групп меняется. Это приводит к изменению условий электронного обмена в композитном слое сенсора, и мы наблюдаем сдвиг потенциала пика или изменение его высоты»,— отметила эксперт.
Поверхность электрода покрывается полимерным нанокомпозитом на основе углеродных наноструктур и полимеризованного нейтрального красного. Это создает стабильную, чувствительную платформу для дальнейшего нанесения ДНК. Во время анализа сенсор подвергается действию агента, генерирующего свободные радикалы, аналогично тому, как ДНК повреждается в организме при окислительном стрессе.
«С помощью разработанного сенсора можно оценить комплексный эффект защитного антиоксидантного воздействия продуктов. Антиоксиданты различной природы по-разному влияют на отклик сенсора. Последующая математическая обработка может помочь выделить вклад отдельных компонентов в суммарный сигнал. Сенсор позволял различать сигналы от нативной, термически денатурированной и химически окисленной ДНК. При этом возможности ограничивались определением наличия или отсутствия повреждений молекулы ДНК, а также определением природы данного повреждения (термическое или окислительное)»,— подчеркнула Анастасия Маланина.
Новый сенсор выводит анализ напитков на уровень биологической эффективности. Это особенно важно в условиях, когда многие производители активно используют термин «антиоксиданты» в маркетинговых целях, но не всегда подтверждают фактическое действие продукта.
«За счет использования печатного графитового электрода в составе сенсора его производство достаточно легко масштабировать. Если предположить одновременное использование сенсоров варьирующегося состава в мультимодальной системе, то параллельное определение нескольких биомаркеров станет вполне доступным не только по аналитическим характеристикам, но и по коммерческим показателям»,— рассказала специалист.
Сенсор также может быть использован в качестве модельной системы для изучения механизмов повреждения и защиты ДНК, что актуально для молекулярной биологии, биофизики, фармакологии, медицинской химии.
«Разработанный сенсор может быть интегрирован в работу лабораторий, занимающихся контролем качества продукции на предприятиях пищевой промышленности, для определения присутствия антиоксидантов в напитках и пищевых продуктах. Кроме того, возможно практическое применение в фармации, поскольку контроль содержания легкоокисляющихся соединений в лекарственных формах является необходимым для сохранения безопасности и эффективности лекарственных препаратов на протяжении всего срока их хранения. Интеграцию сенсора можно провести и в медицинскую диагностику для определения окислительного стресса, что часто связывают с риском возникновения онкологических и нейродегенеративных заболеваний и преждевременного старения»,— рассказала Анастасия Маланина.
Результаты работы, выполнены при поддержке Российского научного фонда и опубликованы в журнале Biosensors.
Анна Порфирьева, доцент кафедры аналитической химии Химического института им. А. М. Бутлерова Казанского федерального университета ответила, на вопросы «Ъ-Науки».
— Какие конкретные углеродные наноматериалы (например, графен, нанотрубки) и агенты для генерации свободных радикалов использовались в сенсоре и почему?
— В составе композита используется углеродная чернь (сажа). Этот материал обладает высокой электропроводностью и низкой стоимостью. Совместное присутствие углеродной черни и красителя при получении нанокомпозита из релина позволяет создавать электроактивные покрытия с пористой и развитой поверхностью.
Для имитации окислительного повреждения ДНК использовали смеси на основе пероксида водорода и ионов меди и железа. Дело в том, что эти ионы металлов в организме могут генерировать гидроксильные радикалы — самые агрессивные и короткоживущие активные формы кислорода, которые вносят наибольший вклад в повреждение ДНК.
— Какие ключевые преимущества и ограничения имеет новый электрохимический ДНК-сенсор по сравнению с традиционными химическими методами оценки антиоксидантной активности (такими как ORAC, FRAP), особенно в части оценки реальной биологической эффективности?
— Эти методы являются чисто химическими и не учитывают биологический контекст. Вещество может быть сильным химическим восстановителем, что будет показано, например, методом FRAP, но не обладать протекторными свойствами по отношению к повреждению ДНК. Наш сенсор учитывает и химическую силу антиоксиданта, и его способность взаимодействовать с ДНК.
— Может ли сенсор быть адаптирован для прямой диагностики окислительного стресса у человека (например, по анализу крови) и как скоро это возможно?
— Теоретически сенсор можно адаптировать для анализа биологических жидкостей (плазмы крови, слюны, мочи) для оценки общего антиоксидантного содержания. Основная сложность в данном случае связана с матричными эффектами биологических образцов. В отличие от анализируемых нами напитков в крови содержится большое количество белков, которые могут покрывать поверхность сенсора и мешать определению. Подобные эффекты можно устранить с помощью разбавления пробы или при использовании мембран для фильтрации, нужно будет создать методику пробоподготовки и провести клинические исследования. Дополнительные исследования займут как минимум еще год.
— Способен ли сенсор различать не только факт повреждения ДНК, но и его конкретные типы (разрывы цепи, модификации оснований)?
— В какой-то степени наш сенсор работает как интегральный индикатор с элементами специфичности. Мы точно можем уловить нарушение целостности спирали (денатурацию ДНК или одноцепочечный разрыв) по изменению сигнала полимера. Однако указать точное место повреждения спирали ДНК или тип модификации оснований мы не можем. Разработанный сенсор скорее выступает в роли инструмента скрининга и позволяет быстро получить информацию о повреждении.
— На каких реальных напитках или продуктах уже протестирован сенсор и какие были получены результаты?
— Сенсор тестировался на популярных напитках, содержащих различные антиоксиданты, таких как кофе, чай, какао, вино, морс. Максимальный защитный эффект показали кофе и зеленый чай, что обусловлено высоким содержанием в их экстрактах полифенолов, которые эффективно нейтрализуют гидроксильные радикалы. Также защитное действие демонстрировали шипучие таблетки, содержащие витамин С. Полученные результаты совпадали с данными кулонометрического титрования предложенных напитков.
— Каковы ближайшие шаги для коммерциализации? Планируется ли создание портативного устройства или это будет лабораторный прибор?
— Разработка сенсора велась на печатных графитовых электродах. Это дешевые одноразовые электроды, совместимые с компактными наладонными приборами. При разработке программного обеспечения, позволяющего передавать информацию на смартфон, появится возможность визуализировать результаты анализа по месту требования. При условии дополнительных инвестиций выход на рынок прототипа может занять два-три года.
