SHERLOCK сможет отыскать даже одну-единственную молекулу

Фэн Чжан, один из создателей технологии SHERLOCK.
Фэн Чжан, один из создателей технологии SHERLOCK.

Группа учёных из Института Броудов (Broad Institute), общего проекта Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) и Гарвардского университета (University of Harvard) преобразовала белок, используемый в технологии CRISPR. Теперь целью его воздействия является РНК (а не ДНК). Новая система получила название SHERLOCK (Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing), она предназначена для быстрой, недорогой высокоточной диагностики. В будущем это изобретение может оказать существенное влияние на исследовательскую деятельность и на общественное здоровье.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Science. Авторы работы описали, как модифицированный белок CRISPR может определить присутствие даже одной-единственной молекулы ДНК или РНК. Со временем новую технологию можно будет применять в борьбе со вспышками вирусных и бактериальных заболеваний, наблюдения за антибиотикорезистентностью и для выявления рака.

Область применения нового метода чрезвычайно широка, вот несколько примеров:

  • Выявление вируса Зика в крови или моче пациента всего за несколько часов.
  • Обнаружение генетических различий африканского и американского штаммов вируса Зика.
  • Определение специфических штаммов бактерий, например, E. coli.
  • Определение генов устойчивости к антибиотикам.
  • Обнаружение раковых мутаций в искусственных внеклеточных фрагментах ДНК.
  • Быстрое прочтение генетической информации, например, для оценки риска сердечно-сосудистых заболеваний по образцу слюны.

Устройство для проведения анализов может быть спроектировано таким образом, чтобы считывать необходимую информацию с бумаги, на которую был нанесён биоматериал. Хранения образцов на холоде при этом не требуется. Это означает, что технологию можно будет использовать и за пределами лабораторий или крупных медицинских центров — в полевых госпиталях или в больницах регионов, которые не могут позволить себе приобретение дорогостоящего высокотехнологичного оборудования.

В 2016 г. сотрудник Института Броудов Фэн Чжан (Feng Zhang) впервые выделили белок CRISPR, способный взаимодействовать с РНК. Ранее этот белок назывался C2c2, позже был переименован в Cas13a. Cas13a может быть запрограммирован на то, чтобы «разрезать» определённые последовательности РНК в бактериальных клетках. При этом, в отличие от ферментов, нацеленных на РНК (например, белка Cas9), РНК-ориентированный белок сохраняет свою активность и после расщепления целевой РНК. В частности, он способен взаимодействовать с другими фрагментами РНК, выполняя функцию, получившую название «коллатерального расщепления». В работе, опубликованной в журнале Nature в сентябре 2016 г. Дженнифер Дудна (Jennifer Doudna), Александра Ист-Селетски (Alexandra East-Seletsky) и их коллеги из Беркли использовали коллатеральное расщепление для определения РНК. Однако их метод требовал присутствия миллионов молекул, поэтому для решения многих академических и клинических задач он оказался недостаточно чувствительным.

По чувствительности новый метод в миллион раз превзошёл своего предшественника — это было сделано благодаря переходу от анализа ДНК к анализу РНК. Ранее авторы новой технологии занимались разработкой теста на вирус Эбола. Впоследствии систему удалось модифицировать таким образом, чтобы она начала определять вирус Зика. Кроме того, чувствительность системы была повышена, поскольку количество РНК или ДНК в образце теперь можно было увеличивать при помощи нагревания.

«Мы можем без задержек подготовить эффективные приборы для обнаружения любой нуклеиновой кислоты. Они обладают большим потенциалом в контексте клинической диагностики и научных исследований, — рассказывает соавтор работы Джим Коллинз (Jim Collins), профессор биоинжиниринга из Массачусетского технологического института. — Этот инструмент достаточно чувствителен, чтобы выявить малейшие признаки присутствия ДНК раковых клеток в крови пациента. Это может, например, помочь исследователям выяснить, как опухолевые клетки мутируют со временем. Для общественного здравоохранения новый метод может быть полезен тем, что он способен оценить распространённость резистентных к антибиотикам бактерий в популяции».

Одной из самых востребованных и очевидных областей приложения новой технологии станет мгновенное выявление вспышек инфекционных заболеваний в бедных ресурсами регионах.

Хотя SHERLOCK ещё нуждается в доработке, его создатели уверены, что им удастся полностью раскрыть потенциал новой технологии и изменить подход к диагностике инфекционных заболеваний.