Полимеразная цепная реакция - широко используемый сегодня в медицине и молекулярной биологии метод многократного избирательного копирования тех или иных участков ДНК с помощью ферментов. Этот метод позволяет добиться значительного увеличения малых концентраций определенных фрагментов ДНК в биологической пробе, без чего ее генетический анализ зачастую невозможен.

На сегодняшний день уже существует множество разновидностей полимеразной цепной реакции, что позволяет решать весьма широкий круг задач, как научно-исследовательских, так и сугубо практических. Метод находит применение и в криминалистике, и в установлении отцовства, и в медицинской диагностике - скажем, для выявления опасных мутаций в собственной ДНК пациента или для обнаружения чужеродной ДНК бактерий и вирусов.

Полимеразная цепная реакция была впервые предложена в 1985 году, и с тех пор и сам метод, и соответствующая аппаратура - так называемые амплификаторы, они же термоциклеры, - непрерывно совершенствовались. Современный амплификатор - устройство хоть и довольно компактное, но все же относится к стационарному лабораторному оборудованию, требующему, по крайней мере, стабильного электропитания. Теперь же американские специалисты разработали портативный и довольно простой аппарат, позволяющий выполнять полимеразную цепную реакцию в полевых условиях.

Саркома Капоши - бич экваториальной Африки

Устройство, созданное учеными Корнелльского университета в Итаке, штат Нью-Йорк, получило название KS-detect. Аббревиатура KS расшифровывается как Kaposi's sarcoma, то есть "саркома Капоши" (одна из форм злокачественных новообразований кожи). Распространенность заболевания в целом невелика, но оно лидирует среди раковых опухолей, поражающих ВИЧ-инфицированных. Это связано с тем, что данная форма рака вызывается определенной разновидностью вируса герпеса, противостоять которой организм с ослабленной иммунной системой не в силах. В результате в Африке к югу от Сахары саркома Капоши является самой распространенной формой рака, уже в первые три года после инфицирования убивающей до 70 процентов больных.

Именно для быстрой и эффективной диагностики саркомы Капоши в странах экваториальной Африки с ограниченными ресурсами и слаборазвитой медицинской инфраструктурой корнелльские специалисты изначально и разрабатывали свой аппарат. Уже ясно, впрочем, что он найдет более широкое и разнообразное применение. Об этом, в частности, шла речь в начале мая в Балтиморе, штат Мэриленд, на Конференции по проблемам сенсорных технологий медицинского назначения, где разработчики представили свое детище.

Компактная трехэтажная конструкция из оргстекла

Аппарату для работы нужен лишь яркий солнечный свет (его в Африке хватает!) и смартфон со специальным мобильным приложением. Ну и, конечно, образец ДНК для анализа - например, в виде пробы слюны, мочи или крови. Ключевой элемент устройства - трехэтажная конструкция из прозрачного плексигласа, напоминающая квадратную коробочку с прикрепленной сверху линзой. Профессор Дэвид Эриксон (Davis Erickson), руководитель проекта KS-detect, поясняет: "Эта линза выполняет функцию увеличительного стекла. Аппарат нужно сориентировать так, чтобы линза фокусировала солнечные лучи и нагревала расположенный внизу микрофлюидный чип".

Между верхним (линза) и нижним (чип) этажами конструкции есть еще один промежуточный этаж, на котором расположен фотошаблон, регулирующий освещение, а значит, и температуру различных участков чипа. В общем же можно сказать, что центральная часть чипа нагревается гораздо сильнее, чем его края. Поскольку полимеразная цепная реакция предполагает многократное нагревание и охлаждение пробы, содержащая ДНК жидкость периодически подается по тончайшему каналу от менее горячего края чипа к его более горячему центру и обратно.

Смартфон выполняет сразу три функции

"Проба подвергается строго определенной циклической тепловой обработке, - говорит профессор Эриксон. - Она нагревается до 95 градусов Цельсия, затем охлаждается до 72 градусов, некоторое время выдерживается при этой температуре, охлаждается дальше до 60 с небольшим градусов и снова выдерживается... И с каждым повторением этого цикла ферменты, праймеры и ДНК вступают в реакцию, в результате чего количество копий интересующей нас определенной нуклеотидной последовательности удваивается".

Интегрированные датчики строго следят соблюдением температурного режима. Он поддерживается за счет изменения расстояния между линзой и чипом в зависимости от того, насколько жарко греет солнце. Вся работа аппарата подчиняется микропроцессорному управляющему блоку, который, в свою очередь, контролируется подключенным к устройству смартфоном со специальным мобильным приложением. По словам профессора Эриксона, смартфон выполняет сразу три функции: "Он позволяет нам следить за ходом процесса, он управляет всей системой, и он показывает результаты анализа".

Вторая версия аппарата будет еще дешевле и еще проще

Впрочем, у смартфона есть и еще одна функция: он снабжает амплификатор электроэнергией от своего аккумулятора. Однако благодаря использованию солнечного тепла разработчикам удалось снизить энергопотребление системы ни много ни мало в 10 раз! Именно в этом и состоит главное достоинство аппарата KS-detect: ведь залог снижения смертности от саркомы Капоши - ее ранняя диагностика, поясняет профессор Эриксон: "Для этого нам надо выезжать все дальше и дальше в сельскую местность, где нет почти никакой инфраструктуры - ни больниц, ни лабораторий, ни специалистов, ни даже электричества. Поэтому мы старались разработать крайне непритязательную, но вполне надежную диагностическую систему".

Первый прототип аппарата уже прошел - вполне успешно! - полевые испытания в Кении и Уганде. Сегодня корнелльские исследователи работают над второй, усовершенствованной версией своего изделия - более дешевой и более простой в обращении. Кроме того, они надеются "научить" новую модификацию системы выявлять туберкулез, а также анализировать на наличие инфекции пробы стула и воды.