Проблема быстрого и качественного биотестирования сегодня является актуальной. Существуют традиционные методы биотестирования питьевой воды, промышленных стоков и биологических жидкостей, основанные на подопытных животных и простейших организмах. Однако их использование возможно лишь в лабораторных условиях. Эти методики сложно адаптировать к использованию в персональных устройствах биодиагностики. Также при таком биотестировании существует проблема высокой погрешности, связанной с индивидуальностью тестовых организмов.

Одним из способов преодолеть эти проблемы является применение биотестирования на основе ферментативных методов, основанных на биолюминесцентной реакции, катализируемой люциферазой и NAD(P)H:FMN-оксидоредуктазой, выделенными из светящихся бактерий Vibrio harveyi. Через измерение каталитической активности чувствительных к загрязнителям ферментов, стало возможным делать выводы о степени загрязненности природных, промышленных вод и биологических жидкостей. По сравнению с традиционными методами анализа, во многих случаях, применение биолюминесцентных методов наряду с увеличением точности и чувствительности позволяет сократить стоимость анализов примерно на 70% и существенно сократить время их проведения.

Однако на сегодняшний день отсутствует подходящий набор методик для автоматизации и внедрения ферментативного биолюминесцентного метода экспресс-тестирования природных, промышленных вод и биологических жидкостей.

Методику ферментативного биотестирования необходимо автоматизировать и реализовать в виде одноразовых чипов с иммобилизованными компонентами тест-системы и в виде систем постоянной проточной диагностики на основе высокочастотных генераторов капель, в которых ферменты биолюминесцентной тест-системы будут связаны с наноалмазами, а реакции — осуществляться в изолированных нанолитровых объемах пробы.

Данный проект направлен на создание автоматизированной высокочувствительной аналитической платформы для ферментативного биолюминесцентного тестирования природных, промышленных вод и биологических жидкостей с применением микрофлюидных технологий и функционализированных наночастиц. Люциферазная микрофлюидная платформа состоит из набора микрофлюидных компонентов (приводы, клапаны, смесители и пр.), биологического компонента и системы регистрации сигналов, которые легко сочетаются друг с другом в технологическом процессе производства миниатюрных биосенсоров. Наноалмазы станут важной частью системы регистрации сигналов в каплях, поскольку позволяют управлять активными веществами потоках жидкости в чипах.

Научная новизна исследований заключается в теоретическом моделировании и проведении экспериментов, в которых сигнал формируется люциферазой и усиливается наночастицами в каплях, что позволяет создать новый метод экспресс-тестирования физиологических жидкостей и воды. Новизна инженерной разработки заключается в проектировании, изготовлении и отладке чипов на основе методов низкотемпературной герметизации чипов и иммобилизации белков позволяющих сохранить активность ферментов и солюбилизации наночастиц, позволяющих управлять этими белками в чипах. Технологическая новизна заключается в использовании коллективных эффектов взаимодействия наночастиц алмаза с молекулами белков в биомодуле в каплях-реакторах. При реализации этих подходов будет создано микрофлюидное устройство для аналитической оценки степени загрязненности исследуемых образцов и изучения ферментативных реакций в капле.

Поскольку с биферментной люциферазной системой такой задачи автоматизации измерений ранее не проводилось, разработка такой платформы является принципиально новой задачей.

Более подробная информация о проекте есть в карточке проекта на сайте Российского научного фонда.