Нанодатчик в крови мгновенно сообщит о заражении

После атаки террористов в 2001 году, когда США столкнулись с применением спор сибирской язвы, американское правительство бросило миллиарды долларов и тысячи ученых на поиск технологий быстрого обнаружения химических и биологических агентов. Однако новый проект ВВС в случае успешной реализации сулит такой прорыв в этом деле, что все предыдущие миллиардные усилия, станут устаревшими примитивными методиками.

Новый запрос американских военных летчиков гласит о необходимости создания «датчиков на основе наночастиц, которые можно развернуть в биологических средах для обнаружения различных агентов в режиме реального времени». Другими словами, военные хотят универсальный индикатор химических веществ и биологических агентов, который сможет функционировать непосредственно в организме, например крови солдата. Датчик должен будет мгновенно обнаруживать множество различных агентов: от вируса оспы, до нервно-паралитического газа. Сказать, что это сложная задача, значит сильно преуменьшить.

Новый универсальный нанодатчик позволит мгновенно обнаружить присутствие опасных веществ и организмов и принять своевременные меры

В настоящее время используются различные способы обнаружения и идентификации химических веществ: стационарные детекторы, которые обнаруживают в воздухе пары токсинов, карманные приборы, способные определить наличие опасных отравляющих газов и т.д. При этом для обнаружения биологических агентов, т.е. живых организмов, на несколько порядков более сложных, чем молекулы отравляющих веществ, нужна совсем другая техника. Бактерии, грибки и вирусы постоянно меняются, и требуется гораздо больше времени, чтобы их идентифицировать. Типичные лабораторные тесты занимают несколько часов (если не дней) и состоят из анализа, обработки и подтверждения наличия конкретного биологического агента, и это только в том случае, если лаборатория точно знает, какой антиген нужно искать.

На этом фоне перспективный датчик, разработка которого инициирована ВВС, кажется фантастическим прибором: в него будут упакованы все существующие химические реагенты для обнаружения био- и химугроз в крошечной камере. Это позволит решить чрезвычайно сложную проблему идентификации сотен опасных биологических организмов (многие из которых практически неотличимы от безвредных микробов). Но самое главное – процесс идентификации должен идти в режиме реального времени.

Тем не менее, специалисты ВВС видят пути решения этой беспрецедентно сложной задачи. Они хотят построить свой прибор на безе совершенной природной системы, предназначенной для поддержания жизни в сложных условиях: бимолекулярных переключателях. Эти естественные коммутаторы включают и выключают множество процессов в живом организме, контролируя работу и реакцию клеток на внешние условия. Например, определенные белки в нашем носу связываются с молекулами пахучего вещества, и таким образом мы получаем возможность узнать об испорченной пище или опасной утечке бытового газа. Несмотря на сложность этого природного механизма, его функционирование выглядит довольно просто и заключается в изменении формы, например при выключении биомолекула плоская, а при включении принимает форму шара или куба. В некоторых случаях изменение формы активирует определенные ферменты или открывает канал в клетке. Сегодня ученые уже разработали простые искусственные переключатели, способные вызывать свечение или появление другого электрохимического или биохимического сигнала.

Идея военных заключается в использовании таких переключателей, которые смогут войти в контакт с био- и химагентами и включить определенный сигнал. Эти наноразмерные датчики будут циркулировать в кровотоке, ожидая контакта с определенными токсичными химическими веществами или болезнетворными бактериями. В случае контакта, переключатели будут менять форму, что можно обнаружить с помощью несложного теста.

Проект будет очень сложно реализовать, поскольку биомолекулярные переключатели до сих пор разрабатывались для сугубо конкретных целей. Так, ученые создали белок, который сигнализирует о контакте с молекулами сахара. Но для универсального датчика потребуется очень сложный переключатель или комплекс из множества переключателей, объединенных в одно компактное, но очень сложное устройство.