При нанесении молекул F1-АТФазы на подложку исследователи подобрали концентрацию молекул так, чтобы они располагались друг от друга на достаточном расстоянии: чтобы одна молекула ДНК не могла связаться обоими концами с двумя соседними молекулами F1-АТФазы, и чтобы собранные устройства не мешали друг другу во время вращения наночастиц золота (рисунок 3).
Понятно, что описанные наноустройства будут работать только в том случае, если в системе имеется биотинилированная с двух концов ДНК, способная связать F1-АТФазу и золотую частицу в единое целое. Одна дибиотинилированная ДНК соответствует одной молекуле определяемой ДНК. Чтобы этого добиться, необходимо изготовить два олигонуклеотидных зонда, один из которых связан с биотином со стороны 3’-конца, другой – с 5’-конца. Эти зонды комплементарны определяемому фрагменту ДНК и вместе полностью покрывают его. После добавления зондов к образцу смесь нагревают, чтобы разрушить двуцепочечные структуры ДНК, а затем охлаждают, чтобы двойные спирали вновь сформировались, но теперь уже между ДНК-мишенью и зондами. Затем к смеси добавляют ДНК-лигазу – фермент, сшивающий фрагменты ДНК в местах разрывов двуцепочечной ДНК. Если последовательность ДНК полностью комплементарна двум зондам (ситуация, изображенная на рисунке 4A), то в результате работы лигазы образуется двуцепочечная ДНК без разрывов, и последующее добавление ДНК-полимеразы не приводит ни к каким изменениям.
Ситуация меняется, если зонды не полностью комплементарны целевой ДНК (рисунок 4B). В этом случае лигаза не срабатывает, и после добавления ДНК-полимеразы, которая обладает также экзонуклеазной активностью, полимераза синтезирует новую цепь ДНК, начиная с места разрыва и разрушая при этом один из зондов. В результате формируется ДНК, биотинилированная лишь с одной стороны – и, разумеется, сигнал в виде крутящихся золотых наночастиц от такой ДНК получен не будет.
Таким образом, метод позволяет распознавать точечные замены в молекулах ДНК, что часто как раз и требуется при анализе генетических заболеваний, обнаружении патогенов и онкогенов. Работа «Single-molecule detection of DNA via sequence-specific links between F1-ATPase motors and gold nanorod sensors» опубликована в Lab on a Chip. А авторы тем временем работают над созданием аналогичной системы, но уже для детектирования белков.
Также можно ознакомиться с видео-роликом (3.37 Мб), в котором весело мигают красные точки.
