“Start-up圣彼得堡国立大学-2021”比赛的参赛团队ProteoSensity制作了能够在减少开支的情况下更加快速进行生态分析的设备原型机。通过这项研发,对周围环境的监测成本要低好几倍,而且不仅只有专家可以进行这项工作。

七分钟完成生态监测

目前,有两种最常用于分析水、空气或土壤污染的方法。第一种是采集样本并在实验室中进行分析。整个过程耗时较长,除了往返目的地的路程,还有设备分析工作所用的时间。一般来说需要好几个小时。每一种仪器可以在显示出样品中被分析物的窄谱,因此要想进行完整全面的监测,就需要很多设备。这些设备往往要价一百多万卢布,而且只有熟练的专家才会使用,这样一来分析成本就变得很高了。此外,这种方法所得出的结果也不一定准确:一些物质在运输过程中会收到破坏。

第二种方法是借助带有实验室设备的移动分析车,在所研究的地区进行采样分析。这种方法可以节约时间并提高分析过程的可靠性,但是不代表没有其他缺点。

“我们想出了一种可以让环境监测更加方便、便宜和快速的仪器”,团队队长、生物信息学方向硕士生安德烈·扎拉塔耶夫说道,“首先,我们的设备是多功能的,可以显示出样本中的很多物质,不需要用到很多其他装置。其次,我们的设备让监测过程变得更便宜,价格从15万卢布到30万卢布。第三,设备是自动化的,就算是非专业人士也可以进行操作,这就解决了人员的问题。我们的发明也加速了分析过程:可以在5-7分钟内完成分析,并同时测量样品中不同被分析物的含量”。

进入纳米细孔

仪器的工作基于DNA适配体和蛋白质纳米细孔相互关系的原理。DNA适配体是由约80个核苷酸组成的DNA链条。每个链条的厚度要比细孔的厚度小一点,因此只有一个链条可以进入细孔。最近今年,基于这一发现出现了很多项目,但是其中只有一个和DNA测序的项目实现了商业化。

由大学生们制作的设备由几个模块组成,模块的数量决定了同时进行分析的物质有多少。每个模块都包括两个箱室,由带一个蛋白质纳米细孔的粘性膜片隔开。整个过程就在其中进行。分析结果反映在与设备相连的计算机上,研究人员在电脑上对设备的运行进行管理。

分析开始时,在一个箱室中放入DNA适配体和样本。如果在样本中包含所寻找的成分,DNA链条通过自身核苷酸的物理属性与被分析物发生作用,“缠绕”在其周围。如果样品中没有所想显示的物质,DNA链条不会和其他物质发生关系。之后施加电压,DNA适配体开始运动,试图进入相邻的箱室。在第一种情况下,与样本分子形成的化合物不会通过缝隙且会自行关闭。被引向纳米细孔的探测器记录到离子电流中断。研究人员可以得出结论,在样本中发现了被分析物。在另外一种情况中,DNA链条毫无困难地通过了细孔,离子电流也通过了。探测器就会显示出不明显的变化,需要确定含量的物质在样品中没有发现。

大学生们认为,尽管技术很简单,但是在研发时也有其复杂性。在寻找每一种被分析物时必须选择自己的DNA链条。它的核苷酸相互排列的方式要让适配体能够和所寻找的物质发生反应。一开始,在计算机上对可能的排列方式进行模拟,然后再实验室中进行测试。这项工作耗费大量时间,需要研究人员的积极参与。但是,项目发明人说很快就可以加速这一过程,使分子建模的现代方法更好地与自己的任务相适应,这样就能测试少一点的链条。目前,项目团队成员已经挑选出10中排序方式,用于进行最常见的生态分析类型。

这些发明者们相信,借助他们的设备进行的研究将不需要特殊的消耗。除了仪器之外,还需要DNA适配体溶液。用于检测样本中一种被分析物含量所需的液体价格不超过100卢布。用于空气或土壤监测的试剂价格也是一样:这样就可以将收集的样品转为液体状态来制备样本。

对于生态活动家和零售商

“我们把工业和农业企业视为需求方。他们会定期寻找专门的机构进行生态监测”,安德烈·扎拉塔耶夫说道,“通过我们的设备,公司可以自行完成这项工作。此外,生活在一些非生态产业城市的生态活动家对于我们的研发也非常感兴趣”。

团队成员认为,他们的仪器可以很好地应用在食品贸易领域。目前,这一领域中的大多数网络都无法检查他们所收到对商品是否符合卫生标准。因此,在俄罗斯联邦消费者权益及公民平安保护监督局以及其他机关对商店进行检查时,可能会对他们进行大量罚款,而消费者则会购买到不合格的商品。

研发者们确信,他们的设备有助于快速跟踪与现有规定的偏差并防止此类情况的发生。如果产品供应商和制造商使用这种监测,那么他们可以看出产品在哪一阶段不符合要求,是谁犯了错误。同时,因为仪器的价格便宜且维修费用不高,这样的新措施几乎不会对商品的最终价格产生影响。

目前,大学生们正在研究粘性膜片的成分并合成DNA适配体。他们将在决赛中展示所挑选出的链条,也会展示整个项目。要进行设备的完整组装,还需要其他两个国家的材料,但是由于交通的中断,参赛者们还没办法获得。

该团队由4个人组成。达尼尔·莫斯科维切夫(化学方向)研究膜片成分,拉夫连季·达尼洛夫(细胞和分子生物学方向)进行DNA适配体测试,伊利亚·梅利尼科夫(物理学方向)负责探测器,安德烈·扎拉塔耶夫(生物信息学方向)负责分子建模和制作商业计划书,协调团队工作。项目的导师是圣彼得堡国立大学生物学副博士、副教授安东·尼日尼科夫。

“Start-up圣彼得堡国立大学”已经举办六届。最具科学水平和商业前景项目的队伍将获得圣彼得堡国立大学捐赠基金会提供的奖金。第一名获得30万卢布,第二名获得20万卢布,第三名获得10万卢布。此外,还将有两支获胜队伍可以和圣彼得堡国立大学一起成立小型创业公司。发展资金分别为100万卢布和70万卢布。关于“Start-up圣彼得堡国立大学2021”比赛的详细信息可浏览圣彼得堡国立大学捐赠基金会网站