Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание программного обеспечения для обработки результатов протеомных измерений, полученных с помощью нанопроволочного биосенсора

Докладчик: Иванов Юрий Дмитриевич

Должность: заведующий лабораторией, профессор, доктор биологических наук

Цель проекта:
1. Основой исследовательских и медицинских технологий для многопараметрической молекулярной диагностики являются методы регистрации белков, позволяющие работать в диапазоне ультранизких концентраций и отличающиеся высоким быстродействием. Метод нанопроводной (НП) детекции относится к высокочувствительному методу анализа белок-белкового биоспецифических взаимодействий, в том числе антитело/антиген, аптамер/антиген. Однако, проблема заключается в том, что даже современные стандартные измерительные системы KEITHLEY (США) и Agilent (США) не позволяют проводить измерения в высокоскоростном режиме. Так, стандартное ПО позволяет регистрировать 1 измерение в секунду. Для высокопроизводительных измерений необходима скорость не менее 1 измерения в миллисекунду. Кроме того, одно устройство регистрирует сигнал с одного НП-сенсора, а на одном чипе, как уже было сказано выше, могут располагаться десятки НП-сенсоров. Поэтому также существует другая проблема проблема сопряжения нескольких регистрирующих устройств в одну систему сбора данных для проведения высокопроизводительных измерений. 2. Цели выполняемого проекта: 1) Создание высокоскоростной системы сбора и обработки данных, зарегистрированных с помощью нанопроволочного молекулярного детектора. 2) Создание программного обеспечения для сбора и обработки результатов протеомных измерений, полученных с помощью нанопроволочного биосенсора. Созданная в результате выполнения проекта система сбора данных позволит решить проблему проведения многоканальных измерений с помощью нанопроводного биосенсора в высокоскоростном режиме.

Основные планируемые результаты проекта:
1) В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1. Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ.
2. Отчет о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с требованиями ГОСТ 15.011-96.
3. Программное обеспечение системы сбора данных для нанопроводного молекулярного детектора (далее – ПО ССД).
4. Дистрибутив ПО ССД.
5. Проект инструкции по установке дистрибутива ПО ССД.
6. Программа и методики исследовательских испытаний ПО ССД.
7. Проект инструкции по применению ПО ССД.
8. Технические требования и предложения по эксплуатации ПО ССД с учетом технологических возможностей производителя нанопроводного молекулярного детектора.
9. Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка системы сбора данных для нанопроводного молекулярного детектора».
2) Разработка ПО ССД необходима для обеспечения хранения результатов измерений и результатов обработки данных, шаблонов для формирования отчетов, таблиц, диаграмм и графиков в реляционной базе данных.
Разрабатываемая высокоскоростная система сбора и обработки данных, зарегистрированных с помощью нанопроволочного молекулярного детектора, должна быть предназначена для визуализации и обработки сверхмалых токов и напряжений, зарегистрированных нанопроволочным молекулярным детектором, и возникающих при биоспецифичеком взаимодействии белков, включая антиген/антитело, антиген/аптамер и проч.
Программное обеспечение ССД должно представлять собой набор программных компонент, функционирующих в среде семейства ОС MS Windows и обеспечивающих проведение измерений сверхмалых токов и напряжений нанопроволочным молекулярным детектором.
Высокоскоростная система сбора и обработки данных должна быть совместима с современными пикоамперметрами KEITHLEY (США) и Agilent (США).
Высокоскоростная система сбора и обработки данных должна удовлетворять следующим требованиям:
- количество одновременно используемых приборов – не более 5;
- используемые интерфейсы, или коммуникационные порты (не более 4), порты USB (не более 4), порты GPIB (не более 2);
- время подготовки к измерениям – не более 15 минут;
- программное обеспечение CCД должно строиться на базе модульных программно-технических средств;
- высокоскоростная система сбора и обработки данных должна иметь средства администрирования и настройки;
- время выполнения одного измерения должно лежать в диапазоне от 1 мсек до 1 сек при уровне тока 10-10 А, но не должно превышать время одного измерения прибором более чем на 20% при минимальном уровне шума тока.
- Обработка результатов биологических измерений должна проводиться для многоканальных измерений сверхмалых токов до 10^(-10) А;
- Число каналов регистрации сигнала должно быть не менее 10 шт. в одном анализе. - Скорость регистрации сигнала должна быть не менее 1 мсек/измерение;
- Концентрация регистрируемого аналита должна составлять не более 10^(-14) М;
- Обеспечение удаленного доступа к измерительной системе через компьютеры сети;
- Обеспечение архивации данных на программном уровне, позволяющей хранить данных измерений от всех приборов в общей реляционной базе данных;
- Обеспечение статистического анализа данных, преобразования и аппроксимации данных.
3) Нанопроводные детекторы позволяют регистрировать белок в 10^(-17) М растворе [Buitrago, E., et al., VLSI-TSA, 2014, DOI:10.1109/VLSI-TSA.2014.6839691]. Для проведения измерений при этом используются регистрирующие устройства, например, пикоамперметры, обладающие возможностью регистрировать сверхмалые токи (до 10^(-14) А). Так, разработанный в ИБМХ биосенсор на основе нанопроводного детектора позволяет проводить измерения отдельных белков в концентрации до 10^(-15) М при регистрации токов в диапазоне 10^(-7)-10^(-9) А. Такие значения регистрируемых токов позволяют принципиально повысить скорость считывающего устройства. Однако, в связи с универсальным характером применения приборов предоставляемые производителем программные средства обработки и визуализации данных имеют ряд существенных функциональных ограничений и не обеспечивают необходимых требований по точности, быстродействию и гибкости измерений. Новизна предлагаемого решения заключается в том, что созданная в результате выполнения проекта высокоскоростная система сбора данных позволит осуществлять прямой доступ к управлению считывающим сигнал прибором и, таким образом, повысить скорость сбора данных, получаемых с детектора, на несколько порядков.
4) Работ, аналогичных выполняемому проекту, в России не проводится. В настоящее время в ряде зарубежных и российских работ показана высокая чувствительность НП детекции для сенсоров, изготовленных как по технологии создания нанопроводных структур – “bottom-up” [Patolsky F., et al., Nature Protocols, 2006, PMID: 17487154, IF 7,78] так и по технологии и “top-down” , [Stern E., et al., Nature, 2007, PMID: 17268465, IF 39,7; Pui T.S., et al., Nanoscale, 2009, PMID: 20644875, IF 6,74]. Обе технологии имеют возможность производства массива НП-сенсоров, корпусированных в одном чипе. Таким образом, показана принципиальная возможность одновременной регистрации нескольких типов аналита [Zheng G.F., et al., Nature Biotech, 2005, doi:10.1038/nbt1138, IF 39,1; Ivanov Yu.D., Pleshakova T.O., Kozlov A.F., Malsagova K.A. et al., Lab Chip, 2012, doi: 10.1039/c2lc40555e, IF 5,6].
5) В ходе выполнения ПНИ должны быть решены следующие задачи по разработке:
1) ключевых принципов ПО системы сбора данных (далее – ПО ССД) для нанопроводного молекулярного детектора, позволяющего с максимальной возможной скоростью регистрировать данные измерений в реальном времени (не менее 1 измерения/мсек). В процессе разработки ПО ССД необходимо оптимизировать соотношение между скоростью измерений и шумом измерений не менее чем в 2 раза. Для этого необходимо провести исследовательские испытания ПО ССД при измерении сигнала от нанопроводных сенсоров, корпусированных в одном чипе.
2) многоканального режима измерений (10 и более каналов регистрации), позволяющего на программном уровне регистрировать сигнал от нескольких приборов одновременно. ПО ССД должно предусматривать индивидуальную конфигурацию каждого измерительного и регистрирующего прибора.
3) алгоритмов опроса регистрирующих устройств с использованием возможностей архитектуры современных вычислительных систем, включая многоядерные и многопроцессорные конфигурации.
4) организации удаленного доступа к измерительной системе через компьютеры сети.
5) системы архивации данных на программном уровне, позволяющей хранить данных измерений от всех приборов в общей реляционной базе данных.
6) ”дружественного”, удобного интерфейса конечных пользователей для визуализации данных измерений и результатов обработки сигнала от нанопроводного биосенсора.
7) шаблонов для формирования отчетов, таблиц, диаграмм и графиков в требуемых форматах.
8) встроенных в пользовательский интерфейс функций: статистического анализа данных, преобразование и аппроксимация данных.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1) Результаты проекта будут применены для управления нанопроводными биосенсорами и сбора с них данных в протеомных исследованиях.
2) Нанопроводные биосенсоры в сопровождении ПО СДД позволят проводить селективную регистрацию целевых белков в исследуемых биологических образцах и могут быть использованы в области протеомных исследований, а также в качестве дополнительного метода экспресс-диагностики белковых маркеров соматических и инфекционных заболеваний.
3) Планируемые результаты проекта позволят обеспечить дальнейшее развитие материально-технической и информационной инфраструктуры для нанопроводных устройств в протеомике и медицине, а также создать быстродействующие системы для ранней экспресс-диагностики онкологических и других заболеваний в клинических центрах в России и за рубежом. Быстродействующие нанопроводные системы также могут быть использованы для создания новых образовательных курсов для подготовки высококвалифицированных специалистов в области нанотехнологий.

Текущие результаты проекта:
1 Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы.
2 Проведены патентные исследования.
3 Проведены выбор и обоснование направления исследований.
4 Разработано программное обеспечение ССД.
5 Разработан дистрибутив ПО ССД.
6 Изготовлены дистрибутивы ПО ССД в количестве 5 шт.
7 Разработана программная документация на ПО ССД.
8 Коллекциия шаблонов для формирования отчетов, таблиц, диаграмм и графиков в требуемых форматах сформирована и зашита в ПО ССД.
9 Разработан проект инструкции по установке дистрибутива ПО ССД.
10 Разработан проект инструкции по применению высокоскоростной системы сбора и обработки данных.
11 Разработана Программа и методики исследовательских испытаний высокоскоростной системы сбора и обработки данных.
12 Подготовлен Промежуточный отчет о ПНИ.
13 Изготовлены экспериментальные образцы нанопроводных биосенсоров в количестве 20 шт. для проведения исследовательских испытаний высокоскоростной системы сбора и обработки данных.