RSS-ленты
РусскийEnglish
Выпуск 10, 2024
Том год страница
Выпуски Авторы PACS Подписчикам Для авторов

Cтатьи, принятые к публикации
К 55-летию Института спектроскопии РАН


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

В настоящей работе 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: (1) визуализации биомолекул, токсинов, вирусных частиц, (2) определения ультранизких концентраций аналитов напрямую во взятой пробе, без использования методов повышения концентрации аналита, (3) оптического одномолекулярного секвенирования молекул ДНК. Приведено обсуждение существующих физических ограничений методов оптического детектирования и счёта единичных молекул, их влияние на решение существующих проблем биологии, медицины, генетики.

Ключевые слова: нанофотоника, наноплазмоника, сенсорика ультра-низких концентраций аналитов, детектирование единичных молекул, био-визуализация, волноводы нулевой моды, одномолекулярное секвенирование
DOI: 10.3367/UFNr.2024.07.039720
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, принята к публикации

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 the detection of single biomolecules: visualization, detection and sequencing of DNA molecules” Phys. Usp., accepted; DOI: 10.3367/UFNe.2024.07.039720

Список литературы (87) ↓ Похожие статьи (1)

  1. Nayak K Opt. Express 15 5431 (2007)
  2. Akimov A V Nature 450 402 (2007)
  3. Xie X, Dunn R Science 265 361 (1994)
  4. Rossier J F Nat. Mater. 12 480 (2013)
  5. Wallquist M Phys. Scripta 137 014001 (2009)
  6. Koch J Phys. Rev. B 70 195107 (2004)
  7. Hugel T Science 296 1103 (2002)
  8. Ritter J G PLoS ONE 11639 (2010)
  9. Liu Z, Lavis L D, Betzig E Mol. Cell 58 644 (2015)
  10. Yanagida T, Ishii Y Single Molecule Dynamics in Life Science (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 Rep. Prog. Phys. 81 024601 (2017)
  15. Lu H P, Xun L, Xie X S Science 282 1877 (1998)
  16. Liang W Nature 417 725 (2002)
  17. Todd J Clin. Chem. 53 1990 (2007)
  18. Ma F 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 Письма в ЖЭТФ 26 492 (1977); BalykV I JETP Lett. 26 357 (1977)
  24. Персонов Р И ЖЭТФ 65 1825 (1973); Personov R I 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 УФН 192 663 (2022); Eremchev I Yu Phys. Usp. 65 617 (2022)
  27. Novotny L, Hecht B Principles of Nano-Optics (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2012)
  28. Chen N J, Dovichi D Anal. Chem. 68 690 (1996)
  29. Matthews J C Fundamentals of Receptor, Enzyme, and Transport Kinetics (1993)
  30. Karlsson R Anal. Biochem. 221 (1) 142 (1994)
  31. Latour R A J. Biomed. Mater. Res. Part A 103 949 (2014)
  32. Zijlstra P, Paulo P M, Orrit M Nat. Nanotechnol. 7 379 (2012)
  33. Weiss S Science 283 1676 (1999)
  34. Yang Y Chem. Rev. 113 192 (2013)
  35. Sun W Chem. Rev. 116 7768 (2016)
  36. Baldo M A, Thompson M E, Forrest S R Nature 403 750 (2000)
  37. Michalet X Science 307 538 (2005)
  38. MY Nanomaterials 4 129 (2014)
  39. Chudakov D M Physiol. Rev. 90 1103 (2010)
  40. Demtr<$>ddot {rm o}<$>der W Laser Spectroscopy 1 (2014)
  41. Wang J H Laser Photon. Rev. 16 2100622 (2022)
  42. DoronI V Nanoscale 16 14899 (2024)
  43. Gritchenko A S Nanoscale 14 9910 (2022)
  44. Lebedev D V Adv. Opt. Mater. 2400581 (2024)
  45. Beliaev L Y, Takayama O, Melentiev P N, Lavrinenko A V Opto-Electron. Adv. 4 210031-1 (2021)
  46. Hirshfeld T Appl. Opt. 15 2965 (1976)
  47. Widengren J, Rigler R Bioimaging 4 (3) 149 (1996)
  48. Munkhbat B Sci. Adv. 9552 (2018)
  49. DoronI V Nano Lett. 22 105 (2022)
  50. Балыкин В И, Мелентьев П Н УФН 188 143 (2018); BalykV I, Melentiev P N Phys. Usp. 61 133 (2018)
  51. Maier S Plasmonics
  52. <?twb=.65w>Мелентьев П Н, Балыкин В И УФН 189 282 (2019); Melentiev<?twb> P N, BalykV I Phys. Usp. 62 267 (2019)
  53. Klimov V V Nanoplasmonics (2014)
  54. Levene M J Science 299 682 (2003)
  55. Bethe H A Phys. Rev. 66 (7--8) 163 (1944)
  56. Crouch G M, Han D, Bohn P W J. Phys. D Appl. Phys. 51 193001 (2018)
  57. Rigneault H Phys. Rev. Lett. 95 117401 (2005)
  58. Entzeroth M, Flotow H, Condron P Curr. Protoc. Pharmacol. 4 (2009)
  59. Miyake T Anal. Chem. 80 6018 (2008)
  60. Chen J Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111 664 (2014)
  61. Baek S Anal. Chem. 99 3970 (2022)
  62. Punj D Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotechnol. 6 268 (2014)
  63. Jackson J D Classical Electrodynamics (1999)
  64. Eid J Science 323 133 (2009)
  65. Cheng F
  66. Когельник Г УФН 121 695 (1977)
  67. Pengfei Y Opt. Precision Eng. 30 (1) 62 (2022)
  68. Katrukha I A Biochemistry 78 1447 (2013)
  69. Hamm C W Eur. Heart J. 32 2999 (2011)
  70. Shah A S Lancet 386 2481 (2015)
  71. BabuL, Jaffe A S Cmaj 173 1191 (2005)
  72. Melentiev P N ACS Sensors 5 3576 (2020)
  73. Bhat T, Cao A, YJ Viruses 14 383 (2022)
  74. Kudryavtsev D Nanoscale 16 12424 (2024)
  75. W<$>ddot {rm o}<$>lfel R Nature 581 465 (2020)
  76. Wang W J. Am. Med. Ass. 323 1843 (2020)
  77. TsetlV I Trends Pharmacol. Sci. 36 109 (2015)
  78. Shendure J Nature 550 345 (2017)
  79. Shendure J, Ji H Nat. Biotechnol. 26 1135 (2008)
  80. Frankish A Nucl. Acids Res. 766 (2019)
  81. Djordjevic S P Nat. Rev. Genetics 25 142 (2024)
  82. Thomas T, Gilbert J, Meyer F Microbial Inform. Experimentation 2 1 (2012)
  83. Rubio L, Galipienso L, Ferriol I Front. Plant Sci. 11 539737 (2020)
  84. Korlach J Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105 1176 (2008)
  85. Korlach J
  86. Dias R, Torkamani A Genome Med. 11 (1) 70 (2019)
  87. Novakovsky G Nat. Rev. Genetics 24 125 (2023)
© Успехи физических наук, 1918–2024
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение