Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1051110.32607/20758251-2015-7-2-108-114Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleThe Use of Atomic Force Microscopy for 3D Analysis of Nucleic Acid Hybridization on MicroarraysПрименение атомно-силовой микроскопии для 3D-анализа результатов гибридизации нуклеиновых кислот на микрочипахDubrovinE. V.ДубровинE. В.
Russian Federation
dubrovin@polly.phys.msu.ruPresnovaG. V.ПресноваГ. В.
Russian Federation
dubrovin@polly.phys.msu.ruRubtsovaM. Yu.РубцоваM. Ю.
Russian Federation
dubrovin@polly.phys.msu.ruEgorovA. M.ЕгоровA. M.
Russian Federation
dubrovin@polly.phys.msu.ruGrigorenkoV. GГригоренкоВ. Г.
Russian Federation
dubrovin@polly.phys.msu.ruYaminskyI. V.ЯминскийИ. В.
Russian Federation
dubrovin@polly.phys.msu.ruLomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваRussian Medical Academy of Postgraduate EducationРоссийская медицинская академия последипломного образования1506201572VOL 7, NO2 (2015)ТОМ 7, №2 (2015)10811417012020Copyright ©; 2015, Dubrovin E.V., Presnova G.V., Rubtsova M.Y., Egorov A.M., Grigorenko V.G., Yaminsky I.V.Copyright ©; 2015, Дубровин E.В., Преснова Г.В., Рубцова M.Ю., Егоров A.M., Григоренко В.Г., Яминский И.В.2015Dubrovin E.V., Presnova G.V., Rubtsova M.Y., Egorov A.M., Grigorenko V.G., Yaminsky I.V.Дубровин E.В., Преснова Г.В., Рубцова M.Ю., Егоров A.M., Григоренко В.Г., Яминский И.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10511

Oligonucleotide microarrays are considered today to be one of the most efficient methods of gene diagnostics. The capability of atomic force microscopy (AFM) to characterize the three-dimensional morphology of single molecules on a surface allows one to use it as an effective tool for the 3D analysis of a microarray for the detection of nucleic acids. The high resolution of AFM offers ways to decrease the detection threshold of target DNA and increase the signal-to-noise ratio. In this work, we suggest an approach to the evaluation of the results of hybridization of gold nanoparticle-labeled nucleic acids on silicon microarrays based on an AFM analysis of the surface both in air and in liquid which takes into account of their three-dimensional structure. We suggest a quantitative measure of the hybridization results which is based on the fraction of the surface area occupied by the nanoparticles.

Олигонуклеотидные микрочипы считаются в настоящее время одним из наиболее эффективных методов генодиагностики. Способность атомно-силовой микроскопии (АСМ) характеризовать трехмерную морфологию отдельных молекул, находящихся на поверхности носителя, позволяет использовать ее как эффективный инструмент 3D-анализа поверхности микрочипа для детекции нуклеиновых кислот. Высокое разрешение АСМ открывает потенциальные возможности для снижения порога детекции ДНК-мишени, повышения соотношения сигнал/шум. В представленной работе разработан подход к оценке результатов гибридизации нуклеиновых кислот, меченных золотыми наночастицами, на кремниевых микрочипах на основе АСМ-исследования поверхности как на воздухе, так и в жидкости, учитывающий их трехмерную структуру. Для количественной оценки результатов гибридизации предложен критерий, интерпретируемый как доля площади поверхности, занимаемой наночастицами.

DNAoligonucleotide microarrayshybridizationatomic force microscopygold nanoparticlesCTXM type β-lactamasesДНКатомно-силовая микроскопиягибридизациянаночастицы золотаолигонуклеотидные микрочипыβ-лактамазы СТХ-М-типаThis work was supported by the RFBR (grant No. 15-04-07678) and partially by a grant from the President of the Russian Federation for state support for young scientists (MK-312.2013.2).Работа поддержана РФФИ (грант № 15-04-07678) и частично грантом Президента РФ для государственной поддержки молодых ученых (МК-312.2013.2).[1] Schena M., Shalon D., Davis R.W., Brown P.O. // Science. 1995, V.270, P.467-470[2] Yoo S.M., Choi J.H., Lee S.Y., Yoo N.C. // J. Microbiol. Biotechnol. 2009, V.19, №7, P.635-646[3] Behr M.A., Wilson M.A., Gill W.P., Salamon H., Schoolnik G.K., Rane S., Small P.M. // Science. 1999, V.284, P.1520-1523[4] Nuwaysir E.F., Bittner M., Trent J., Barnett J.C., Afshari C.A. // Mol. Carcinog. 1999, V.24, P.153-159[5] Iida K., Nishimura I. // Crit. Rev. Oral Biol. Med. 2002, V.13, P.35-50[6] Sassolas A., Leca-Bouvier B.D., Blum L.J. // Chem. Rev. 2008, V.108, P.109-139[7] Herwig R., Aanstad P., Clark M., Lehrach H. // Nucleic Acids Research 201, V.29, P.e117[8] Ryan O., Smyth M.R., Fagain C.O. // Essays Biochem. 1994, V.28, P.129-146[9] Lytton-Jean A.K., Han M.S., Mirkin C.A. // Anal. Chem. 2007, V.79, P.6037-6041[10] Liao J.C., Mastali M., Gau V., Suchard M.A., Møller A.K., Bruckner D.A., Babbitt J.T., Li Y., Gornbein J., Landaw E.M. // J. Clin. Microbiol. 2006, V.44, P.561-570[11] Malic L., Cui B., Veres T., Tabrizian M. // Opt. Lett. 2007, V.32, P.3092-3094[12] Hering K.K., Moller R., Fritzsche W., Popp J. // ChemPhysChem. 2008, V.9, P.867-872[13] Kim H., Takei H., Yasuda K. // Sens. Actuators. B. 2010, V.144, P.6-10[14] Adamcik J., Klinov D.V., Witz G., Sekatskii S.K., Dietler G. // FEBS Lett. 2006, V.580, P.5671-5675[15] Dubrovin E.V., Staritsyn S.N., Yakovenko S.A., Yaminsky I.V. // Biomacromolecules. 2007, V.8, P.2258-2261[16] Dubrovin E.V., Gerritsen J.W., Zivkovic J., Yaminsky I.V., Speller S. // Colloids Surf. B. 2010, V.76, P.63-69[17] Dubrovin E.V., Fedyukina G.N., Kraevsky S.V., Ignatyuk T.E., Yaminsky I.V., Ignatov S.G. // Open Microbiol. J. 2012, V.6, P.22-28[18] Dubrovin E.V., Popova A.V., Kraevskiy S.V., Ignatov S.G., Ignatyuk T.E., Yaminsky I.V., Volozhantsev N.V. // PLoS One. 2012, V.7, №10, P.e47348[19] Dupres V., Verbelen C., Dufrêne Y.F. // Biomaterials. 2007, V.28, P.2393-2402[20] Oh S.J., Cho S.J., Kim C.O., Park J.W. // Langmuir. 2002, V.18, P.1764-1769[21] Legay G., Finot E., Meunier-Prest R., Cherkaoui-Malki M., Latruffe N., Dereux A. // Biosens. Bioelectron. 2005, V.21, P.627-636[22] Lenigk R., Carles M., Ip N.Y., Sucher N.J. // Langmuir. 2001, V.17, P.2497-2501[23] Festag G., Steinbruck A., Wolff A., Csaki A., Moller R., Fritzsche W. // J. Fluoresc. 2005, V.15, P.161-170[24] Han W.H., Liao J.M., Chen K.L., Wu S.M., Chiang Y. W., Lo S.T., Chen C.L., Chiang C.M. // Anal. Chem. 2010, V.82, P.2395-2400[25] Cook M.A., Chan C.K., Jorgensen P., Ketela T., So D., Tyers M., Ho C.Y. // PLoS One. 2008, V.3, P.e154[26] Lavalley V., Chaudouët P., Stambouli V. // Surf. Sci. 2007, V.601, P.5424-5432[27] Bush K. // Ann. N.Y. Acad. Sci. 2013, V.1277, P.84-90[28] Rubtsova M.Yu., Ulyashova M.M., Bachmann T.T., Schmid R.D., Egorov A.M. // Biochemistry (Mosc). 2010, V.75, P.1628-1649[29] Frens G. // Nat. Phys. Sci. 1973, V.241, P.20-22[30] Rubtsova M.Yu., Ulyashova M.M., Edelstein M.V., Egorov A.M. // Biosens. Bioelectron. 2010, V.26, №4, P.1252-1260[31] Lamture J.B., Beattie K.L., Burke B.E., Eggers M.D., Ehrlich D.J., Fowler R., Hollis M.A., Kosicki B.B., Reich R.K., Smith S.R. // Nucleic Acids Research 1994, V.22, P.2121-2125