Ученые из Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» (ФИЦ КНЦ СО РАН), Красноярского государственного медицинского университета имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого (КрасГМУ) и Сибирского федерального университета (СФУ) вместе с коллегами из Канады смоделировали короткие нуклеотидные последовательности — аптамеры, с помощью которых можно практически в десять раз быстрее, чем широко распространенным методом ПЦР, определять наличие частиц COVID-19 в слюне человека. Обычно для проведения такого анализа нужно от 30 минут до нескольких часов, что вынуждает ученых искать новые, более быстрые способы обнаружения антител или коронавирусной инфекции.
На проведение этой исследовательской работы было использовано более 1700 вычислительных узло-часов из ресурсов Межведомственного суперкомпьютерного центра Российской академии наук (МСЦ РАН), состоящего из нескольких мощных, энергоэффективных и высокоплотных вычислительных систем на базе серверов с жидкостным охлаждением, разработанных и установленных в МСЦ РАН специалистами группы компаний РСК. Тем самым, ученым удалось в десятки раз сократить время проведения процесса моделирования.
Подобранные с помощью технологии селекции в пробирке аптамеры, которые были оптимизированы и смоделированы с помощью компьютерного моделирования, специфично связываются с одним из самых редко мутирующих белков вируса, благодаря чему со 100% точностью выявляют не только его уханьский вариант, но и штаммы «Омикрон» и «Дельта». Предложенный подход поможет не только в разы ускорить, но и удешевить тестирование на коронавирусную инфекцию, а также выявлять заболевание на самых ранних стадиях. Результаты этого исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Molecular Therapy: Nucleic Acid.
«Вклад российской стороны в эту разработку очень важен, так как наши исследователи проанализировали механизмы связывания и рассчитали энергии взаимодействия аптамеров с белками коронавируса. Благодаря этому нам удалось усовершенствовать методику тестирования COVID-19 с помощью аптамеров. При использовании в клинической практике этот метод поможет ускорить проведение анализов в несколько раз. Это уже наша вторая работа по созданию аптамеров к коронавирусу. В предыдущем исследовании мы смоделировали с помощью суперкомпьютера аптамеры к S-белку, которые сейчас исследуются на наличие противовирусного эффекта», — рассказывает руководитель проекта Анна Кичкайло, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник и заведующая Лабораторией цифровых управляемых лекарств и тераностики ФИЦ КНЦ СО РАН и руководитель Лаборатории биомолекулярных и медицинских технологий КрасГМУ имени В.Ф. Войно-Ясенецкого.
Чтобы уменьшить риск развития тяжелого течения COVID-19, а также замедлить распространение коронавируса, необходимы быстрые и точные методы диагностики, которые позволят выявлять инфекцию на самых ранних стадиях. С помощью суперкомпьютерных вычислений российские ученые разработали подход, позволяющий быстро и точно выявлять следы присутствия коронавируса в слюне пациента на первых стадиях развития COVID-19. Он основан на использовании так называемых аптамеров, коротких молекул ДНК, способных соединяться с определенными участками на поверхности оболочки SARS-CoV-2 и помечать вирусные частицы. Аптамеры работают по схожему с антителами принципу: они прочно связываются с антигеном, в случае COVID-19 — с вирусными белками, поэтому их можно использовать в качестве «маркеров» для выявления инфекции.
Для этого исследователи с помощью технологии эволюции ДНК в пробирке создали короткие последовательности ДНК и проследили за взаимодействием с N-белком коронавируса, составляющим основу его оболочки. В отличие от S-белка, используемого SARS-CoV-2 для проникновения в человеческие клетки, устройство N-белка почти не меняется, что позволяет использовать его в качестве опознавательного знака всех существующих штаммов коронавируса.
В общей сложности, ученым удалось отобрать 16 аптамеров, способных связываться с оболочкой вируса SARS-CoV-2. Самый удачный (по сочетанию двух признаков — силы связывания и избирательности) из них tNSP3, стал основой для новой высокочувствительной системы тестирования на коронавирусную инфекцию. Его использовали для обнаружения COVID-19 в образцах человеческой слюны, содержащей уханьский вариант коронавируса, а также штаммы «Дельта» и «Омикрон». Во всех случаях tNSP3 позволил определить N-белок в количествах, сопоставимых с чувствительностью ПЦР. Кроме того, проведенные опыты показали, что tNSP3 не уступал в качестве работы классическим системам ПЦР-тестирования, но при этом в десятки раз превосходил их в скорости и позволит создать более дешевый метод тестирования на коронавирусную инфекцию.
В ближайшее время ученые планируют провести более масштабное тестирование новой системы диагностики с участием большего числа пациентов, заразившихся COVID-19. Эти тесты помогут дополнительно проверить ее надежность, а также получить данные для более глубокого сравнения качества работы аптамерного подхода и классических ПЦР-систем.
