Студенты СПбГУ придумали, как проводить экологический мониторинг быстрее и доступнее

Экомониторинг за семь минут

Сейчас есть два способа, которыми чаще всего осуществляется анализ загрязнения воды, воздуха или почвы. Первый предполагает забор проб и их изучение в лаборатории. Вся процедура занимает немало времени, которое уходит не только на дорогу исследователя до места назначения и обратно, но и на работу устройств для анализа. Она длится, как правило, несколько часов. Каждый из приборов способен выявить в образце узкий спектр аналитов, поэтому для полноценного мониторинга требуется немало оборудования. Такие устройства нередко стоят более миллиона рублей, и на них умеют работать только квалифицированные специалисты, что делает анализ дорогостоящим. К тому же он может иметь неверные результаты: некоторые вещества при транспортировке разрушаются.

Второй способ — анализ проб на исследуемой территории с помощью мобильной станции — машины с лабораторным оборудованием. Это позволяет сэкономить время и увеличить надежность процедуры, но не сводит на нет другие ее недостатки.

«Мы придумали прибор, благодаря которому мониторинг окружающей среды станет удобнее, дешевле и быстрее, — рассказал капитан команды, магистрант направления "Биоинформатика" Андрей Золотарев. — Во-первых, наше устройство универсально и способно выявлять в пробе множество веществ, заменяя собой несколько установок. Во-вторых, прибор удешевляет процесс, так как будет стоить от 150 до 300 тысяч рублей. В-третьих, устройство автоматизировано и управлять им сможет непрофессионал, что позволяет решить кадровый вопрос. Наше изобретение также ускорит анализ: технология дает возможность проводить его за пять-семь минут и одновременно измерять содержание в образцах разных аналитов».

Попасть в нанопору

Работа прибора построена на принципе взаимодействия ДНК-аптамеров и белковой нанопоры. ДНК-аптамеры — это цепочки ДНК, состоящие примерно из 80 нуклеотидов. Толщина каждой из них незначительно меньше размера поры, поэтому в нее может пройти только одна такая цепь. За последние годы на основе этого открытия возникло большое количество проектов, однако только один из них, связанный с секвенированием ДНК, получил коммерческую реализацию.

Устройство, создаваемое стартаперами, состоит из модулей, число которых определяет, сколько веществ в одно и то же время можно будет подвергать анализу. Каждый модуль включает в себя две камеры, разделенные липидной мембраной с единственным отверстием — белковой нанопорой. В них и происходит весь процесс. Его результаты отображаются на компьютере, который подключен к устройству и с которого исследователь управляет его работой.

В начале анализа в одну из камер помещаются ДНК-аптамер и проба. Если в ней содержится искомый компонент, цепочка ДНК за счет физических свойств своих нуклеотидов вступает во взаимодействие с аналитом, «обвиваясь» вокруг него. Если в образце нет выявляемого вещества, цепочка ДНК ни с чем не связывается. Далее подается напряжение, и ДНК-аптамер приходит в движение, стремясь попасть в соседнюю камеру. В первом случае соединение, которое он образовал с молекулами пробы, не проходит в просвет и закрывает его собой. Детектор, который подведен к нанопоре, фиксирует, что ионный ток прекратился. Исследователь делает вывод, что аналит в пробе обнаружен. При другом раскладе цепь ДНК беспрепятственно проходит сквозь отверстие, и оно пропускает ионный ток. Тогда детектор показывает его незначительное изменение — вещество, содержание которого предстояло установить, в образце не найдено.

Студенты признаются, что, несмотря на простоту технологии, у разработки есть свои сложности. Они заключаются в том, что для поиска каждого аналита необходимо подобрать свою цепочку ДНК. Ее нуклеотиды должны быть взаимно расположены таким образом, чтобы аптамер вступил в реакцию с искомым веществом. Сначала возможные варианты последовательностей моделируются на компьютере, а затем проверяются в лаборатории. Такая работа занимает длительное время и требует активного участия исследователей. Однако изобретатели говорят, что вскоре смогут ускорить этот процесс, лучше адаптировав современные подходы к молекулярному моделированию к своей задаче, что позволит тестировать меньше цепочек. На сегодня ребята уже почти подобрали десять последовательностей для проведения самых популярных видов экологического анализа.

Как уверяют изобретатели, исследования с помощью их устройства не потребуют особых затрат. Помимо прибора, для этого нужно будет приобрести растворы ДНК-аптамеров. Их объем, необходимый для проверки пробы на содержание в ней одного аналита, будет стоить не больше 100 рублей. Столько же составит цена наборов реагентов, которые понадобятся для мониторинга воздуха или почвы: с их помощью можно будет подготовить пробу, переведя собранные образцы в жидкое состояние.

Для экоактивистов и ритейлеров

«В качестве своих потребителей мы видим промышленные и сельскохозяйственные предприятия. Они регулярно проводят экологический мониторинг, прибегая к услугам специальных служб, — рассказал Андрей Золотарев. — Благодаря нашему прибору компании смогут справиться с этой задачей самостоятельно. Кроме того, разработка заинтересует экоактивистов, живущих в городах с неэкологичными производствами».

Ребята считают, что их прибор может успешно применяться и в области торговли пищевыми продуктами. Сегодня большинство сетей в этом сегменте не могут проконтролировать товар, который к ним поступает, на его соответствие всем санитарным нормам. По этой причине проверки магазинов Роспотребнадзором и другими инстанциями нередко приводят к крупным штрафам, а покупатели приобретают некачественный товар.

Как утверждают инноваторы, их устройство поможет оперативно отслеживать отклонения от установленных правил и предупредить подобные ситуации. Если к подобному мониторингу присоединятся поставщики и производители продукции, можно будет выявить, на каком этапе она перестала удовлетворять требованиям и кто виноват в нарушении. При этом в связи с невысокой стоимостью прибора и его недорогой эксплуатацией такие нововведения почти не скажутся на конечной цене товаров.

Сейчас студенты работают над составом липидной мембраны и синтезируют ДНК-аптамеры. Подобранные цепочки участники покажут на финале, где также продемонстрируют проект прибора. Для его полной сборки необходимы материалы из других стран, которые конкурсанты пока не могут получить из-за перебоев в транспортном сообщении.

Команда состоит из четырех человек. Данил Москвичев («Химия») разрабатывает состав мембраны, Лаврентий Данилов («Клеточная и молекулярная биология») проводит тесты ДНК-аптамеров, Илья Мельников («Физика») отвечает за детектор, Андрей Золотарев («Биоинформатика») занимается молекулярным моделированием и построением бизнес-плана и координирует работу в группе. Научный руководитель проекта — кандидат биологических наук доцент СПбГУ Антон Нижников.

Конкурс «Start-up СПбГУ» проходит в Университете уже в шестой раз. Команды, представившие самые наукоемкие и коммерчески перспективные бизнес-модели, получат денежные призы от эндаумент-фонда СПбГУ. Первое место принесет 300 000 рублей, второе — 200 000 рублей, а третье — 100 000 рублей. Кроме того, двум победившим командам могут предложить создать совместно с Университетом малые инновационные предприятия. Гранты на их развитие составят 1 000 000 и 700 000 рублей. Подробную информацию о конкурсе «Start-up СПбГУ — 2021» можно узнать на сайте эндаумент-фонда СПбГУ.