Академик А. Д. МИРЗАБЕКОВ, директор Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН

Техника биочипов (прообраз применения нанотехнологий в биологии и медицине) возникла на стыке молекулярной биологии, иммунологии, биохимии, иммунохимии и др. С ее помощью можно одновременно анализировать самые разнообразные образцы органического происхождения. Это новое направление в системе современных диагностических методов, уже сейчас применяемое в биологии, медицине, ветеринарии, сельском хозяйстве, криминалистике, токсикологии, охране окружающей среды и других сферах деятельности человека, зародилось в нашем институте.

Биочипы и построенные на их базе биологические компьютеры позволяют исследователям получать огромный массив уникальной информации. Идея их создания возникла в 1989 г., когда мы в рамках программы "Геном человека" активно занимались расшифровкой или, как говорят специалисты, секвенированием структуры ДНК. Стандартные методы декодирования, основанные на том, что геном считывался буква за буквой, оказались малопроизводительными. Сотрудники нашего института предложили метод секвенирования генетической информации целыми словами. Его суть состоит в том, что при считывании некой фразы мы находим в словаре образующие ее слова. А последующий поиск их перекрытия (семантической сочетаемости) позволяет дешифровать смысл фразы и, таким образом, сравнивать

стр. 11

Схема изготовления биочипа.

структуру ДНК. На этой базе и были созданы первые биочипы.

Типичный из них представляет собой маленькую пластинку из стекла или органики. На нее с помощью прецизионных приборов на строго фиксированных расстояниях наносят десятки, сотни и тысячи точек с микроскопическим количеством фрагментов ДНК, РНК или других биологических элементов, служащих зондами. Последние взаимодействуют с анализируемым образцом по принципу "ключ-замок", а прибор-анализатор определяет, какие именно зонды специфически реагировали с образцом. По сути дела, это биокомпьютер в миниатюре. Но в отличие от электронного микрочипа, работающего в двоичной системе и имеющего два базисных состояния: | 0 >- | 1> "да"-"нет", деятельность биочипа намного эффективнее. Элемент белкового микрочипа, например, позволяет производить выборку одного из 10 6 возможных вариантов.

Биочипы, разработанные нами, состоят из полусферических ячеек геля, расположенных на гидрофобной* поверхности стекла. На 1 мм каждого из них можно разместить множество индивидуальных ячеек. Причем любая из них по сути представляет собой специализированную "минипробирку" с зондом, состоящим из ДНК, РНК, индивидуального белка, олигонуклеатида, рецептора, лиганда** и т.д., необходимыми для проведения химических и ферментативных реакций с анализируемыми образцами. Эти "мини-пробирки" или зонды находятся в условиях, близких к их состоянию в растворах, а трехмерная структура гелевых элементов обеспечивает высокую интенсивность сигнала, возникающего при специфическом взаимодействии с образцом. Таким образом, биочип по сути является микролабораторией, которая занимает объем меньше булавочной головки и проводит параллельно сотни или тысячи анализов с чувствительностью, позволяющей обнаружить и количественно анализировать до 10 000 индивидуальных молекул в образце размером в несколько нанометров. Это значительно превышает чувствительность всех ныне существующих диагностических методов.

Биочипы позволяют одновременно осуществлять тысячи химических и ферментативных реакций (гибридизация ДНК и РНК, взаимодействие антиген- антитело и др.) с использованием минимального количества анализируемого вещества. При этом результат анализа определяется по индивидуальному рисунку свечения отдельных ячеек микрочипа, который регистрирует аппаратура (видеокамера плюс компьютер со специальным программным обеспечением), созданная сотрудниками нашего института совместно с учеными Государственного оптического института им. С. И. Вавилова (Санкт- Петербург).

В силу малых размеров биочипов, высокой чувствительности видеоанализатора, низкой стоимости производства и обслуживания соответствующей установки предложенная технология имеет широкий спектр практического применения.

Так, ДНК-микрочипы, основанные на принципе комплементарности - спаривании двух нитей ДНК (одна локализована на поверхности чипа, вторая, окрашенная люминесцентной меткой, представляет анализируемый материал), позволяют идентифицировать как ДНК, так и белки, изучать их структуру и взаимодействие, изменения, возникающие при различных генетических заболеваниях. Одним из первых применений этой технологии является контроль полиовируса, используемого в качестве живой вакцины против полиомиелита. Дело в том, что данный вирус мутирует с большой скоростью, в итоге его иногда нельзя использовать как лекарство. Вот почему каждую партию вакцин перед применением приходится проверять. Разработанные у нас биочипы позволяют легко и с очень высокой степенью надежности выявлять образовавшиеся мутанты.

Еще одна сфера использования биочипов - диагностика лейкозов, вызванных хромосомными перестройками в ядрах клеток кроветворной ткани. Такой метод был внедрен в одной из московских детских поликлиник. Он позволяет идентифицировать характер болезни, что дает возможность выбрать наиболее эффективный способ лечения.

В настоящее время на нашей планете очень широко распространен туберкулез. Ежегодно им заболевают около 30 млн. человек, из которых почти 2 млн. умирают. Ситуация усугубляется тем, что несколько лет назад появились резистентные формы микробактерий, т.е. устойчивые к воздействию имеющихся лекарств. В связи с этим для обузда-

* Гидрофобность - неспособность вещества (материала) смачиваться водой (прим. ред.).

** Лиганды - в химических комплексных соединениях молекулы или ионы, непосредственно связанные с центральным атомом (прим. ред.).

стр. 12

Принцип работы биологического микрочипа.

ния эпидемии необходимо как можно быстрее выявлять возбудителей инфекции и определять степень их "равнодушия" к тем или иным препаратам. Однако современная медицина не имеет для этого соответствующих средств. На диагноз с помощью традиционного (бактериологического) способа ныне уходит 5 - 6 недель.

В нашем институте создали биочипы для идентификации туберкулеза и его резистентных форм. Время детектирования возбудителя по предложенной технологии - 6 - 8 ч. При этом определяется его устойчивость к лекарствам, а сама диагностика может быть выполнена в лаборатории обычной больницы или районной поликлиники.

Кстати, у нас разработаны биочипы для идентификации возбудителей оспы, гепатита, холеры, СПИДа. С помощью других биочипов можно эффективно изучать и полиморфизм человека. Как известно, с генетической точки зрения разница между отдельными индивидами в том, что у них примерно из 3 млрд. пар нуклеотидов имеются отличия в 2 - 3 млн. А по функциональной значимости это вообще может быть всего несколько тысяч. Мы надеемся, что дальнейшее развитие нашего метода позволит дать полный геномный портрет каждого человека: выявить имеющиеся у него повреждения наследственного аппарата, предрасположенность к тем или иным заболеваниям, чувствительность к различным лекарственным препаратам, наркотикам, алкоголю и т.д.*

Специалисты нашего института работают также над инструментарием, который позволит эффективно идентифицировать возбудителей сибирской язвы, чумы и других заболеваний из так называемого "джентльменского набора биотеррориста". Актуальность подобных исследований после трагических событий 11 сентября 2001 г. в США не вызывает сомнений, тем более, что в ходе проведенных в России испытаний выявилась несостоятельность традиционных методов обнаружения возбудителей этих опасных болезней. Такую задачу можно эффективно решать, только используя технологии биочипов.

Наконец, мы имеем опыт применения клеточных биочипов для определения концентрации канцерогенных веществ в продуктах питания, наблюдения за состоянием окружающей среды с целью ее контроля, прогноза и охраны в связи с хозяйственной деятельностью человека.

Словом, не случайно в настоящее время в мире наблюдается бурный рост производства биочипов. Одновременно стремительно уменьшаются их размеры (только за последнее десятилетие они сократились со 100 до 5 мк). Все это происходит в полном соответствии с законом Мура*, верного как для электронных, так и биологических чипов.

Предварительный анализ показывает: эти диагностические средства при массовом производстве будут стоить недорого. Поэтому при интеграции усилий РАН, РАМН, других ведомств и заинтересованных организаций можно создать Центр коллективного производства и использования биочипов, откуда их по очень низкой цене можно было бы поставлять в различные исследовательские лаборатории и медицинские учреждения.

* См.: В. С. Баранов. Гены предрасположенности, или Болезни, которые нас выбирают... - Наука в России, 2003, N 1 (прим. ред.).

* По закону Мура число транзисторов в кристалле одной интегральной схемы, начиная с 1959 г., в течение первых 15 лет удваивалось каждый год, а затем (вплоть до настоящего времени) такое удвоение происходит приблизительно за 1,5 года. Одновременно по экспоненциальному закону уменьшаются характерные размеры элементов интегральных схем (прим. ред.).