Американские ученые разработали настраиваемое микроустройство, улавливающее вирусы в образцах с низким их содержанием и загрязненных посторонними примесями. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.
Определение видовой принадлежности и конкретных штаммов патогенных вирусов играет ключевую роль в изучении, диагностике, лечении и профилактике вызываемых ими инфекций. Разработка современных методов анализа, таких как полимеразная цепная реакция (ПЦР) и секвенирование нуклеиновых кислот, значительно облегчила эту задачу. Однако при работе с полевыми образцами, содержащими мизерное количество вирусных частиц, их определение часто затруднено. Для выделения вирусов в таких образцах используют ультрацентрифугирование и ультрафильтрацию, но эти методы неудобны в применении, и возможности их ограничены.
Чтобы решить эту проблему, сотрудники Университета штата Пенсильвания разработали систему обогащения зараженных образцов с помощью фильтра из параллельных азотсодержащих многостенных углеродных нанотрубок. Эти нанотрубки вырастили непосредственно на кремниевой подложке микрожидкостного устройства, названного CNT-STEM (carbon nanotube size-tunable enrichment microdevice, обогатительное микроустройство настраиваемого размера из углеродных нанотрубок). Как видно из названия, технология позволяет при выращивании регулировать размеры промежутков между нанотрубками, используя различные паттерны железного катализатора на подложке. Диапазон этих размеров составляет от 17 до 325 нанометров, что позволяет точно подогнать их под различные виды вирусов.
Углеродные нанотрубки были выбраны для фильтра, поскольку они прочны, биологически нейтральны, кроме того, от них легко отделяются задержанные вирусы.
В процессе анализа из образца готовят суспензию, которую пропускают через мебранный фильтр с порами диаметром от 220 до 450 нанометров для удаления клеток и других относительно крупных объектов. Подготовленную таким способом суспензию пропускают через CNT-STEM, и нанотрубки улавливают вирусы, пропуская более мелкие примеси. После этого концентрат вирусов снимают с нанотрубок и исследуют обычными методами.
В экспериментах флуоресцентными молекулами, полистироловыми микросферами различного диаметра и низкопатогенным штаммом птичьего гриппа H5N2 (A/chicken/PA/7659/1985) ученым удалось добиться примерно стократной степени обогащения исходных образцов и очистки их от примесей. Также устройство успешно испытали на реальных полевых образцах: взятых в 2012 году мазков из клоак пяти уток и забранных в 2014 году образцах тканей индеек. Секвенирование обогащенных биоматериалов позволило выявить ранее неизвестные штаммы вируса птичьего гриппа, который получил обозначение H11N9 (A/duck/PA/02099/2012), и инфекционного бурсита птиц, названный IBDV/turkey/PA/00924/14.
«Поскольку наше устройство изолирует и концентрирует вирусы только на основании их размеров, мы можем уловить патогенны, о биологических свойствах которых ничего не известно — отпадает потребность в антителах или других молекулярных маркерах. Когда вирус захвачен и концентрирован, его можно характеризовать полногеномным секвенированием и другими методами», — пояснил один из авторов работы Маурисио Терронес (Mauricio Terrones).
Углеродные нанотрубки представляют собой одну или несколько свернутых в цилиндр графеновых плоскостей. Благодаря их исключительным механическим, электрическим, оптическим и другим свойствам им постоянно находят новые области применения. Так, на их основе созданы высокоэффективные транзисторы, сверхпроводники, прямой преобразователь света в электричество, «удочку» для клеток и макромолекул, датчик для определения свежести мяса и многое другое.
Олег Лищук
