Физики научились манипулировать молекулами ДНК с помощью электрических полей

Молекулы ДНК, изначально свободные в растворе (A), захватываются в нанополости под воздействием сигнала ACfp (B) и затем высвобождаются при обнулении поля (C). Автор: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adv8863

Исследователи из физического факультета Университета Макгилла разработали новое устройство, способное захватывать и изучать молекулы ДНК без физического контакта и повреждения. Устройство, использующее точно настроенные электрические поля, предоставляет ученым беспрецедентный контроль над поведением ДНК в реальном времени, открывая возможности для более быстрого и точного молекулярного анализа, который может улучшить диагностику, картирование генома и изучение молекул, связанных с заболеваниями.

Аспирант Матеус Азеведо Силва Пессоа, исследователь в области нанофлюидики, разработал этот инструмент в сотрудничестве с коллегами из лаборатории нанобиофизики профессора Уолтера Райснера. В работе также участвовали исследователи из лаборатории биоинженерии профессора Сары Махшид в Университете Макгилла, стартапа Dimension Genomics в области геномных технологий и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

Статья «Захват, высвобождение и динамическое манипулирование отдельными молекулами с помощью обратимой электрокинетической конфайнмента (RECON)» опубликована в журнале Science Advances.

Использование электрического заряда ДНК

«Предыдущие модели требовали механического контроля молекул для их захвата, — объяснил Пессоа. — Нужно было ограничивать молекулы в канавке, чтобы их изучать, а затем механически воздействовать пластиной или крышкой, чтобы протолкнуть молекулы в лунку. Но иногда они ломались, а контроль над положением этих молекул был крайне ограничен».

Теперь исследователи могут быстрее и бережнее модулировать каждую молекулу ДНК, используя ее внутренние электрические свойства для направления в небольшую лунку.

Автор: Матеус Азеведо Силва Пессоа

Как настройка радиоприемника

Хотя предыдущие исследования пытались контролировать молекулы с помощью электрических полей, высокое напряжение часто вызывало различные проблемы, делая этот подход непрактичным.

Пессоа сказал, что новое устройство позволяет исследователям регулировать электрическое напряжение на определенной частоте, подобно настройке радиоприемника. Такое точное управление позволяет захватывать молекулы ДНК без их повреждения.

Ученые также могут по желанию высвобождать молекулы. Контролируя степень ограничения ДНК, они могут наблюдать за ее поведением в реальном времени.

«Таким образом мы можем видеть специфическую динамику ДНК, потому что можем удерживать молекулы сколь угодно долго, не повреждая их, и наблюдать, что происходит при изменении электрического поля, которое мы используем для их захвата», — добавил он.

Исследователи утверждают, что манипулирование ДНК в таком малом масштабе также может помочь ускорить химические реакции, например, заставить липосомы — жировые носители, часто используемые для доставки лекарств, — открываться и высвобождать свое содержимое, что позволяет ученым глубже изучить эти динамические процессы.

Платформа также может использоваться для моделирования клеточных сред, что делает ее мощным инструментом как для диагностики, так и для научных открытий.

Исследователь указан среди изобретателей в предварительной патентной заявке компании Dimension Genomics на это устройство.

Дополнительная информация: Matheus A. S. Pessôa et al, Single-molecule capture, release, and dynamical manipulation via reversible electrokinetic confinement (RECON), Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adv8863

Источник: McGill University

Интересный факт: Университет Макгилла, где проводилось это исследование, является одним из ведущих учебных заведений Канады и постоянно входит в число лучших университетов мира. В 2023 году университет занял 31-е место в мировом рейтинге QS World University Rankings.