Пермские ученые разработали инновационную компьютерную модель, которая значительно облегчает создание портативных устройств для проведения ПЦР-тестов. Эти устройства позволяют с высокой точностью и всего за несколько минут в условиях, приближенных к полевым, устанавливать отцовство, выявлять генетические заболевания и обнаруживать возбудителей различных инфекций, сообщили РИА Новости в Пермском политехническом университете.
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) давно зарекомендовала себя как надежный метод молекулярной диагностики. Она широко применяется не только для выявления вируса COVID-19, но и для определения наследственных заболеваний, а также в судебной медицине при установлении родственных связей. Суть метода заключается в том, что по небольшому фрагменту ДНК или РНК можно с высокой точностью идентифицировать конкретного возбудителя инфекции или уникальный генетический профиль человека. Благодаря новому программному обеспечению, разработанному пермскими исследователями, процесс создания компактных и эффективных ПЦР-устройств стал значительно более быстрым и доступным.
Разработка таких технологий открывает новые перспективы для медицины и криминалистики, позволяя проводить сложные генетические анализы вне стационарных лабораторий. Это особенно важно в удаленных регионах и при экстренных ситуациях, когда время играет решающую роль. В будущем применение подобных моделей может значительно расширить возможности диагностики и мониторинга здоровья населения, а также повысить эффективность судебных экспертиз.
Современные биотехнологии сделали значительный шаг вперёд с созданием уникальной компьютерной модели, способной точно симулировать конвективную ПЦР и предсказывать поведение частиц в микрокамере. Эта инновация стала настоящим прорывом в области молекулярной диагностики, поскольку позволяет значительно повысить эффективность и скорость проведения полимеразной цепной реакции. Впервые в мире учёные разработали инструмент, который открывает новые горизонты для проектирования ПЦР-систем, делая их не только более быстрыми, но и надёжными.Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — это метод, широко используемый для амплификации ДНК, который требует точного контроля температуры в процессе анализа. Для этого биологический образец помещают в специализированное устройство, способное быстро и точно изменять температуру, обеспечивая оптимальные условия для реакции. Благодаря новой компьютерной модели, процесс управления температурой и движением частиц внутри микрокамеры можно предсказать и оптимизировать с высокой точностью, что существенно улучшает качество анализа.В результате внедрения данной технологии время проведения ПЦР-анализа может сократиться с нескольких часов до 15-20 минут, что особенно важно для оперативной диагностики в клинических и полевых условиях. Это открывает путь к созданию нового поколения диагностических приборов, которые будут компактными, удобными в использовании и максимально надёжными. Таким образом, разработка учёных не только ускоряет процесс диагностики, но и повышает его доступность, что может существенно повлиять на эффективность медицинской помощи и контроль за распространением инфекционных заболеваний.Современные методы генетической диагностики позволяют с высокой точностью устанавливать родственные связи, что особенно важно в юридических и медицинских целях. Одним из наиболее распространённых примеров является анализ на отцовство, который проводится с использованием образца клеток, взятых с внутренней стороны щеки. В таких клетках содержится ДНК, однако её количество слишком мало для прямого наблюдения отдельных молекул. Для преодоления этой проблемы применяется метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), при котором специальный прибор многократно копирует ДНК, чередуя этапы нагревания и охлаждения.В результате примерно за 30-40 циклов одна молекула ДНК превращается в миллиарды идентичных копий, что позволяет получить достаточное количество материала для анализа. После этого детектор сравнивает фрагменты ДНК ребёнка и предполагаемого отца. Если обнаруживаются совпадения в определённых участках генетического материала, отцовство считается доказанным с высокой степенью достоверности. Такой метод является стандартом в судебной генетике благодаря своей точности и надёжности.Выполнение подобных лабораторных исследований обычно занимает от нескольких часов до нескольких дней, что может быть критично в экстренных ситуациях. В связи с этим растёт спрос на портативные, быстрые и доступные ПЦР-системы, которые можно использовать вне лабораторий — например, в кабинете врача, полевом госпитале или на месте происшествия. Развитие таких технологий позволит проводить молекулярные анализы непосредственно на месте, значительно ускоряя процесс диагностики и принятия решений в различных сферах, включая медицину, криминалистику и биологические исследования.Современные технологии в области молекулярной диагностики стремительно развиваются, позволяя значительно ускорить и упростить процесс анализа биологических образцов. В частности, в одном из вузов разработали инновационный метод, известный как конвективная ПЦР, который отвечает на запросы современного медицинского и научного сообщества. Основой этого метода служит плоская микрокамера-чип, размеры которой меньше, чем у обычного смартфона, что делает устройство компактным и удобным для использования в полевых условиях и лабораториях.Принцип работы конвективной ПЦР заключается в создании температурного градиента: нижняя часть микрокамеры нагревается, а верхняя — охлаждается. Благодаря этому образец жидкости с ДНК начинает циркулировать внутри камеры, проходя через различные температурные зоны, необходимые для этапов денатурации, отжига и элонгации. Такое многократное прохождение по камерам обеспечивает экспоненциальное копирование целевых фрагментов ДНК. В результате уже через 30–40 минут прибор способен обнаружить миллиарды идентичных молекул, что позволяет получить точный и быстрый результат анализа.Следует отметить, что каждая молекула ДНК состоит из десятков тысяч нуклеотидов — это длинная и сложная последовательность, которая в растворе ведет себя как протяжённая нить. Понимание структуры и поведения ДНК является ключевым для разработки эффективных методов амплификации и детекции. Конвективная ПЦР представляет собой значительный шаг вперёд, поскольку сочетает в себе компактность, быстроту и высокую точность, что открывает новые возможности для диагностики инфекционных заболеваний, генетических исследований и других областей биомедицины. В будущем такие технологии могут стать стандартом, значительно повысив доступность и качество молекулярной диагностики по всему миру.Понимание процессов диффузии молекул ДНК в жидких средах имеет ключевое значение для многих биофизических и биохимических исследований, а также для разработки новых методов диагностики и терапии. В отличие от классической диффузии точечных частиц, движение молекул ДНК подчиняется иным законам, что связано с их сложной структурой и размером. Игнорирование этих особенностей приводит к значительным расхождениям между теоретическими моделями и экспериментальными данными, что затрудняет точное прогнозирование поведения ДНК в различных условиях. «Мы впервые начали рассматривать молекулы ДНК как самостоятельные микрочастицы, которые могут перемещаться независимо от потока жидкости», — отметил доцент кафедры "Прикладная физика", кандидат физико-математических наук и старший научный сотрудник Рамиль Сираев. Такой подход позволяет более точно описывать динамику молекул ДНК и учитывать влияние их конфигурации и взаимодействий с окружающей средой. Детальное изучение этих процессов открывает новые возможности для моделирования биологических систем и улучшения методов доставки лекарственных веществ на молекулярном уровне. В перспективе это может привести к созданию более эффективных биотехнологий и инновационных медицинских решений, основанных на точном управлении движением молекул ДНК в живых организмах.Источник фото: РИА Новости
