Нанотрубки для аналитиков

На фотографии, сделанной с помощью атомно-силового микроскопа, видна плоскость, сплошь покрытая изогнутыми червяками. Так выглядит активная поверхность электрода после того, как ее покрыли тонким и прочным слоем углеродных нанотрубок. С его помощью удается напрямую, без дополнительных меток или индикаторов, определять ДНК. «Мы создаем принципиально новый прибор — гибридизационный электрохимический ДНК-сенсор. Тепрерь можно будет очень быстро определять, содержатся ли в исследуемом растворе молекулы с какими-то специфическими последовательностями нуклеотидов, например теми, что принадлежат вирусу или обусловливают генетические заболевания человека», — говорит один из авторов работы Т.И. Абдуллин, ассистент кафедры биохимии Казанского государственного университета.

Обычно для того, чтобы провести анализ ДНК, прибегают к следующей процедуре. Сначала ДНК размножают с помощью ПЦР (ведь, как правило, в исходном образце ее мало). Затем проводят какую-либо биохимическую процедуру: сиквенирование, рестрикционный или гибридизационный анализ (иначе говоря, определяют всю последовательность ДНК или ищут в ней характерные участки. — Примеч. ред.). Электрод же позволит выявить наличие искомого участка за считанные секунды. Правда, до недавнего времени считалось, что сделать его невозможно.

Причина такой «невозможности» низкие электроактивные свойства нуклеиновых кислот: в окислительно-восстановительные реакции под действием электричества эти кислоты вступают неохотно. Чтобы заставить их принимать или отдавать электроны, нужно приложить настолько высокое напряжение, что скорее начнет реагировать вода, чем растворенные в ней ДНК или РНК. Для того-то и понадобились нанотрубки на поверхности электрода — чтобы помочь нуклеиновым кислотам эффективно окисляться при гораздо меньших, но строго определенных значениях потенциала. А уж зная, при каком именно потенциале окисляется вещество и насколько сильно изменяется при этом ток в цепи, идентифицировать это вещество и выяснить его количество труда не составит.

Авторы разработки — сотрудники сразу трех подразделений Казанского государственного университета: физического, биолого-почвенного факультетов, а также Химического института им. А.М. Бутлерова.

И сам электрод, и нанотрубки состоят из графита. Только электрод — из графита особо прочного и столь тщательно отполированного, что он кажется стеклянным. Поэтому он и называется стеклоуглеродным. А нанотрубки — из слоев графита, свернутых в рулоны наподобие ковра. Изюминка метода в предварительной обработке нанотрубок сильным окислителем — смесью концентрированных серной и азотной кислот. Благодаря ей покрытая нанотрубками поверхность приобретает особые свойства — электрокаталитические.

Молекулы ДНК, правда в денатурированном виде — разорванные на отдельные нити, охотно соединяются с поверхностью электрода, и, если на них есть участки, которые окисляются при поданном на электрод потенциале, в приборе возникает сигнал.

На многие вопросы, особенно те, что касаются механизмов явления, авторы ответов пока не знают — исследования продолжаются. Однако проведенные эксперименты убеждают, что такие электроды можно использовать не только для прямого определения ДНК, но и для более широких исследований. Например, изучать, не повреждают ли те или иные антибиотики ДНК, или даже выявлять мутагенное действие различных веществ. Так что работа для новых сенсоров найдется. А в том, что сделать их можно, ученые теперь не сомневаются.

Кандидат химических наук
О.О. Максименко