RSS-ленты
РусскийEnglish
Выпуск 12, 2024
Том год страница
Выпуски Авторы PACS Подписчикам Для авторов

Выпуски

 / 

2024

 / 

Ноябрь

←  →

К 55-летию Института спектроскопии РАН (ИСАН). Обзоры актуальных проблем


Оптические методы детектирования единичных биомолекул: визуализация, сенсорика, секвенирование молекул ДНК

†  а,  а,  а,  а,  а,  а,  а,  б,  б,  б,  б,  в,  в,  г,  г,  г,  г,  д,  д,  д,  д,  е,  ж,  ж,  ж,  ж,  ж, б
а Институт спектроскопии РАН, ул. Физическая 5, Троицк, Москва, 108840, Российская Федерация
б Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург, Российская Федерация
в Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, Сущевская ул. 22, Москва, 119017, Российская Федерация
г Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 2-я Бауманская ул. 5/1, Москва, 105005, Российская Федерация
д Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук, улица Миклухо-Маклая, дом 16/10, Москва, 117997, Российская Федерация
е Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Саратовского научного центра Российской академии наук, просп. Энтузиастов 13, Саратов, 410049, Российская Федерация
ж ООО СИНТОЛ, ул. Тимирязевская 42, корпус Б, офис 316, Москва, 127434, Российская Федерация

Представлен краткий обзор достигнутого уровня оптических методов детектирования единичных молекул в биомедицинских приложениях. Показано, что регистрация флуоресценции единичных молекул красителей, ковалентно связанных с антителами (биомолекулами), совместно с использованием современных методов нанофотоники может быть применена для решения различных задач в биологии и медицине: визуализации биомолекул, токсинов, вирусных частиц, определения ультранизких концентраций аналитов напрямую во взятой пробе, без использования методов повышения концентрации аналита, оптического одномолекулярного секвенирования молекул ДНК. Приведено обсуждение существующих физических ограничений методов оптического детектирования и счёта единичных молекул, их влияния на решение существующих проблем биологии, медицины, генетики.

Текст pdf (641 Кб)
Ключевые слова: нанофотоника, наноплазмоника, сенсорика ультранизких концентраций аналитов, детектирование единичных молекул, биовизуализация, волноводы нулевой моды, одномолекулярное секвенирование
PACS: 07.60.−j, 32.50.+d, 87.64.−t (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2024.07.039720
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2024/11/c/
Цитата: Мелентьев П Н, Калмыков А С, Гритченко А С, Шеметева М П, Сафонова А М, Марков М С, Балыкин В И, Букатин А С, Ваулин Н В, Белов Д А, Евстрапов А А, Баклыков Д А, Андрияш А В, Барбашева А А, Кугук А К, Рыжков В В, Родионов И А, Кудрявцев Д С, Можаева В А, Сон Л В, Цетлин В И, Хлебцов Б Н, Кобзев М С, Кузнецова Ю О, Шарипов Б Т, Яшкин А С, Алексеев Я И "Оптические методы детектирования единичных биомолекул: визуализация, сенсорика, секвенирование молекул ДНК" УФН 194 1130–1145 (2024)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 13 марта 2024, доработана: 16 июля 2024, 17 июля 2024

English citation: Melentiev P N, Kalmykov A S, Gritchenko A S, Shemeteva M P, Safonova A M, Markov M S, Balykin V I, Bukatin A S, Vaulin N V, Belov D A, Evstrapov A A, Baklykov D A, Andriyash A V, Barbasheva A A, Kuguk A K, Ryzhkov V V, Rodionov I A, Kudryavtsev D S, Mozhaeva V A, Son L V, Tsetlin V I, Khlebtsov B N, Kobzev M S, Kuznetsova Yu O, Sharipov B T, Yashkin A S, Alekseev Ya I “Optical methods for detection of single biomolecules: visualization, sensorics, sequencing of DNA molecules” Phys. Usp. 67 (11) (2024); DOI: 10.3367/UFNe.2024.07.039720

Список литературы (87) ↓ Похожие статьи (1)

  1. Nayak K P et al Opt. Express 15 5431 (2007)
  2. Akimov A V et al Nature 450 402 (2007)
  3. Xie X S, Dunn R C Science 265 361 (1994)
  4. Rossier J F Nature Mater. 12 480 (2013)
  5. Wallquist M et al Phys. Scr. 2009 (T137) 014001 (2009)
  6. Koch J et al Phys. Rev. B 70 195107 (2004)
  7. Hugel T et al Science 296 1103 (2002)
  8. Ritter J G et al PLoS ONE 5 (7) e11639 (2010)
  9. Liu Z, Lavis L D, Betzig E Mol. Cell 58 644 (2015)
  10. Yanagida T, Ishii Y (Eds) Single Molecule Dynamics in Life Science (Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2008)
  11. Levi V, Gratton E Cell Biochem. Biophys. 48 1 (2007)
  12. Goodhill G J Trends Neurosci. 39 (4) 202 (2016)
  13. Zlatanova J, van Holde K Mol. Cell 24 317 (2006)
  14. Miller H et al Rep. Prog. Phys. 81 024601 (2018)
  15. Lu H P, Xun L, Xie X S Science 282 1877 (1998)
  16. Liang W et al Nature 417 725 (2002)
  17. Todd J et al Clin. Chem. 53 1990 (2007)
  18. Ma F et al Acc. Chem. Res. 49 1722 (2016)
  19. Taylor A B, Zijlstra P ACS Sensors 2 1103 (2017)
  20. Walt D R Anal. Chem. 85 1258 (2013)
  21. Upasham S, Tanak A, Prasad S Adv. Health Care Technol. 4 1 (2018)
  22. Moerner W E J. Phys. Chem. B 106 910 (2002)
  23. Балыкин В И и др Письма в ЖЭТФ 26 492 (1977); Balykin V I et al JETP Lett. 26 357 (1977)
  24. Персонов Р И и др ЖЭТФ 65 1825 (1973); Personov R I et al Sov. Phys. JETP 38 912 (1974)
  25. Наумов А В, Вайнер Ю Г УФН 179 322 (2009); Naumov A V, Vainer Yu G Phys. Usp. 52 298 (2009)
  26. Ерёмчев И Ю и др УФН 192 663 (2022); Eremchev I Yu et al Phys. Usp. 65 617 (2022)
  27. Novotny L, Hecht B Principles of Nano-Optics (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2012)
  28. Chen D, Dovichi N J Anal. Chem. 68 690 (1996)
  29. Matthews J C Fundamentals of Receptor, Enzyme, and Transport Kinetics (Boca Raton, FL: CRC Press, 1993)
  30. Karlsson R Anal. Biochem. 221 (1) 142 (1994)
  31. Latour R A J. Biomed. Mater. Res. A 103 949 (2015)
  32. Zijlstra P, Paulo P M R, Orrit M Nature Nanotechnol. 7 379 (2012)
  33. Weiss S Science 283 1676 (1999)
  34. Yang Y et al Chem. Rev. 113 192 (2013)
  35. Sun W et al Chem. Rev. 116 7768 (2016)
  36. Baldo M A, Thompson M E, Forrest S R Nature 403 750 (2000)
  37. Michalet X et al Science 307 538 (2005)
  38. Min Y et al Nanomaterials 4 129 (2014)
  39. Chudakov D M et al Physiol. Rev. 90 1103 (2010)
  40. Demtröder W Laser Spectroscopy 1: Basic Principles 5th ed. (Berlin: Springer, 2014)
  41. Wang J-H et al Laser Photon. Rev. 16 2100622 (2022)
  42. Doronin I V et al Nanoscale 16 14899 (2024)
  43. Gritchenko A S et al Nanoscale 14 9910 (2022)
  44. Lebedev D V et al Adv. Opt. Mater. 12 2400581 (2024)
  45. Beliaev L Yu, Takayama O, Melentiev P N, Lavrinenko A V Opto-Electron. Adv. 4 210031 (2021)
  46. Hirschfeld T Appl. Opt. 15 2965 (1976)
  47. Widengren J, Rigler R Bioimaging 4 (3) 149 (1996)
  48. Munkhbat B et al Sci. Adv. 4 eaas9552 (2018)
  49. Doronin I V et al Nano Lett. 22 105 (2022)
  50. Балыкин В И, Мелентьев П Н УФН 188 143 (2018); Balykin V I, Melentiev P N Phys. Usp. 61 133 (2018)
  51. Maier S A Plasmonics: Fundamentals and Applications (New York: Springer, 2007)
  52. Мелентьев П Н, Балыкин В И УФН 189 282 (2019); Melentiev P N, Balykin V I Phys. Usp. 62 267 (2019)
  53. Klimov V Nanoplasmonics (New York: Jenny Stanford Publ., 2014)
  54. Levene M J et al Science 299 682 (2003)
  55. Bethe H A Phys. Rev. 66 163 (1944)
  56. Crouch G M, Han D, Bohn P W J. Phys. D 51 193001 (2018)
  57. Rigneault H et al Phys. Rev. Lett. 95 117401 (2005)
  58. Entzeroth M, Flotow H, Condron P Curr. Protocols Pharmacol. 44 9.4 (2009)
  59. Miyake T et al Anal. Chem. 80 6018 (2008)
  60. Chen J et al Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111 664 (2013)
  61. Baek S et al Anal. Chem. 94 3970 (2022)
  62. Punj D et al WIREs Nanomed. Nanobiotechnol. 6 268 (2014)
  63. Jackson J D Classical Electrodynamics 3rd ed. (New York: Wiley, 1999)
  64. Eid J et al Science 323 133 (2009)
  65. Zhong C F et al "Substrates and optical systems and methods of use thereof" Patent CA2737505C (2009); https://patents.google.com/patent/CA2737505C/
  66. Kogelnik H IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 23 (1) 2 (1975); Пер. на русск. яз., Когельник Г УФН 121 695 (1977)
  67. Pengfei Y et al Opt. Precision Eng. 30 (1) 62 (2022)
  68. Katrukha I A Biochemistry Moscow 78 1447 (2013)
  69. Hamm C W et al Eur. Heart J. 32 2999 (2011)
  70. Shah A S V et al Lancet 386 2481 (2015)
  71. Babuin L, Jaffe A S CMAJ 173 1191 (2005)
  72. Melentiev P N et al ACS Sens. 5 3576 (2020)
  73. Bhat T, Cao A, Yin J Viruses 14 383 (2022)
  74. Kudryavtsev D S et al Nanoscale 16 12424 (2024)
  75. Wölfel R et al Nature 581 465 (2020)
  76. Wang W et al JAMA 323 1843 (2020)
  77. Tsetlin V I Trends Pharmacol. Sci. 36 109 (2015)
  78. Shendure J et al Nature 550 345 (2017)
  79. Shendure J, Ji H Nat. Biotechnol. 26 1135 (2008)
  80. Frankish A et al Nucl. Acids Res. 47 D766 (2019)
  81. Djordjevic S P et al Nat. Rev. Genet. 25 142 (2024)
  82. Thomas T, Gilbert J, Meyer F Microbial Inform. Exp. 2 3 (2012)
  83. Rubio L, Galipienso L, Ferriol I Front. Plant Sci. 11 1092 (2020)
  84. Korlach J et al Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105 1176 (2008)
  85. "25 million ZMW SMRT Cell." PacBio, https://www.pacb.com/revio/
  86. Dias R, Torkamani A Genome Med. 11 70 (2019)
  87. Novakovsky G et al Nat. Rev. Genet. 24 125 (2023)
© Успехи физических наук, 1918–2024
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение