Ученые Пермского Политеха создали математическую модель, которая поможет разрабатывать компактные устройства для проведения ПЦР-диагностики. Она позволяет заранее рассчитывать, как долго тест сможет работать без снижения эффективности. В перспективе разработка может помочь создавать портативные приборы для диагностики инфекций, которые можно использовать не только в лабораториях, но и в медицинских учреждениях.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале «Прикладная механика и техническая физика».  

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) применяется для выявления инфекционных заболеваний, генетических исследований и проведения судебно-медицинских экспертиз. Метод основан на многократном копировании фрагментов ДНК, благодаря чему можно обнаружить даже небольшое количество генетического материала в образце.

Обычно для проведения ПЦР требуется специальное оборудование, которое последовательно нагревает и охлаждает исследуемый образец. Альтернативой могут стать компактные устройства, в которых жидкость с генетическим материалом самостоятельно перемещается между зонами с разной температурой. Такой метод называют конвекционной ПЦР.

Однако при работе подобных устройств важно учитывать, как меняется движение жидкости по мере увеличения количества молекул ДНК. Их накопление может замедлять циркуляцию раствора и снижать эффективность реакции.

Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая учитывает эти процессы. В отличие от традиционных подходов, исследователи рассматривают молекулы ДНК как отдельные частицы, обладающие собственной массой и плотностью. Это позволяет точнее рассчитывать движение раствора и определять, когда процесс копирования генетического материала начинает замедляться.

Для проверки модели специалисты провели компьютерное моделирование процессов, происходящих внутри камеры ПЦР.

«Тестирование проводилось в специальной программе, которая позволяет воспроизвести движение жидкости и тепла в камере ПЦР. Мы следили за реакцией на протяжении примерно 1000 секунд – это тот отрезок времени, за который успевает пройти несколько десятков циклов копирования, что достаточно для получения молекул ДНК в количестве, доступном для регистрации», – рассказал заведующий кафедрой «Прикладная физика» ПНИПУ, доктор физико-математических наук Дмитрий Брацун.

Расчеты показали, что примерно через 800 секунд после начала реакции накопление молекул ДНК начинает замедлять движение жидкости. В результате часть генетического материала не успевает проходить необходимые температурные зоны, из-за чего процесс его копирования становится менее эффективным.

По словам доцента кафедры «Прикладная физика» ПНИПУ, кандидата физико-математических наук Рамиля Сираева, разработанная модель позволяет учитывать ограничения, которые ранее не отражались в расчетах.

«Особенность исследования в том, что мы впервые описали конвекционную ПЦР не как обычную жидкость, а как систему, где молекулы ДНК – это самостоятельные частицы со своей массой и плотностью. Раньше это не учитывали, что не позволяло увидеть, что реакция не может идти вечно с одинаковой скоростью, у нее есть скрытый предел», – пояснил ученый.

Полученные результаты помогут разработчикам подбирать размеры и форму камеры, температурные режимы и другие параметры будущих устройств. Это позволит еще на этапе проектирования оценивать эффективность их работы и создавать более компактные системы ПЦР-диагностики.

«В перспективе такие приборы могут использоваться в медицинских учреждениях и криминалистике», – сообщили в Пермском Политехе.