Наиболее важным из всех видов биосенсоров, является ДНК-биосенсор. Актуальность этих биосенсоров связана с тем, что они применяются для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач в областях биомедицины, фармакологии, молекулярной биологии, а также генетической диагностики. Главными преимуществами ДНК-биосенсоров являются высокая чувствительность и селективность, а также высокая скорость анализа, несопоставимо более высокая, чем скорость традиционных аналитических методов.

Несмотря на значительные успехи, при использовании ДНК-биосенсоров в научных и прикладных исследованиях, ряд задачи, связанные с усовершенствованием ДНК-биосенсоров остаются нерешенными. Это в основном проблемы связанные с уменьшением шума выходного сигнала ДНК-биосенсора. Это обстоятельство диктует необходимость более детального исследования процесса формирования выходного сигнала, с целью выявить возможные типы и источники шумов, а также характерные особенности этих шумов. В подавляюще большинстве случаев ДНК-биосенсор “работает” в среде, свойства которой нестрого постоянны, а случайно флуктуируют и эти случайные флуктуации среды неизбежно приводят к флуктуациям выходного сигнала ДНК-биосенсора. Этот тип шума называют внешним шумом [1].

Показано, что выходной сигнал ДНК-биосенсора сложным образом зависит от действия внешнего шума. В зависимости от того какой параметр адсорбционной системы флктуирует под воздействием внешнего шума, выходной сигнал может быть подвергнут действию как ланжевеновского, так и мультипликативного шума. Если под действием внешнего шума флуктуирует число адсорбционных центров, что может происходить в результате изменения сродства адсорбционного центра под воздействием случайно изменяющихся факторов внешней среды, то этот шум ланжевеновкий. Если же под действием внешнего шума флуктуирует количество лигандов в растворе, то этот шум оказывается мультипликативным [2]. Действие ланжевеноского имультипликативного шумов на выходной сигнал ДНК-биосенсора количественно и качественно отличаются друг от друга. Для случая малого заполнения получено стохастическое дифференциальное уравнение (СДУ) мультипликативного типа, описывающее изменение во времени числа адсорбированных лигандов на ДНК-дуплексах. Далее для СДУ пишется со¬от¬ветствующее уравенение Фоккера-План¬ка, а затем используя это уравнение полу¬чаем уравнение для моментов. Поскольку флуктуирующий параметр аппрокси¬мируем гауссовским белым шу-мом, то в этом случае СДУ ин¬тер¬претируется в смысле Стратано¬вича. Вычислив первый и второй момент определяем дисперсию адсорбированных на ДНК-дуплексе лигандов. Далее принимая, что выходной сигнал ДНК-биосенсора через единицу площади биосенсора, обусловленный адсорбцией лигандов на ДНК-дуплексе, пропорциален числу адсорбированных на ДНК-дуплексе лигандов, определяем зависимость нестационарной дисперсии от времени.

Анализ стационарной дисперсии выходного сигнала ДНК-биосенсора при малых значениях интесивности внешнего шума показывает, что флуктуации выходного сигнала ДНК-биосенсора линейно зависят от интенсивности внешнего шума. Показано также, что с ростом концентрации лигандов в растворе флуктуации выходного сигнала ДНК-биосенсора уменьшаются.

Полученные результаты позволяют из анализа шумовых особенностей выходного сигнала ДНК-биосенсора определить возможный типы и источник шума.



1. Arakelyan V.B., Haroutiunian S.G., Arakelyan H.V., Haroutiunian T.S. Adsorbtion of Ligands on Macromolecules in the Fluctuating Medium. 2002, vol.20, N 1, pp.135-139.

2. Аракелян В.Б., Антонян А.П., Парсаданян М.А., Шагинян М.А., Вардеванян П.О.Изменение выходного сигнала ДНК-биосенсора, индуцированного адсорбцией лигандов на дуплексы ДНК в флуктуирующей среде. Биофизика, 2020, том 65, № 4, с. 670–675

DNA-biosensor is more important among other biosensors. Actuality of these biosensors is connected to the fact that they are applied for solution of wide spectrum of topics of fundamental and practical problems in the spheres of biomedicine, pharmacology, molecular biology and genetic diagnosis. The chief advantages of DNA-biosensors are high sensibility and selectivity, as well as high rate of analysis, which is incompatibly higher, than that of traditional analytical methods.

Despite the significant successes at the usage of DNA-biosensors in scientific and practical studies, there is a number of problems connected to improvement of DNA-biosensors that are not solved to date. These are mainly the problems, connected to decreasing of DNA-biosensor output signal noise. This fact dictates the necessity to more detained study the process of output signal formation, aimed at the revelation of the possible types and noise sources , as well as characteristic peculiarities of these noises. In vast majority of cases DNA-biosensor “works” in medium, the properties of which are non-strictly constant, but randomly fluctuating, and these random fluctuations inevitably lead to the fluctuations of DNA-biosensor output signal. This type of noise is called an external noise [1].

It was shown that DNA-biosensor output signal in complicate way depends on the external noise action. Depending on the fact which parameter of adsorption system fluctuates under the effect of the external noise, the output signal may be exposed to the action of both Langevin’s and multiplicative noises. If under the effect of the external noise the number of adsorption centers fluctuate, which can take place as a result of affinity change of adsorption center under the influence of randomly changing factors of medium, the noise is Langevin’s one. If under the effect of the external noise the number of ligands in the solution fluctuates, the noise turns to be multiplicative one [2]. Action of Langevin’s and multiplicative noises on the output signal of DNA-biosensor differs qualitatively and quantitatively from each other. For the case of small fillings the stochastic differential equation (SDE) is received of multiplicative type, describing the change of number of adsorbed ligands on DNA-duplexes in time. Further, for SDE the respective equation of Fokker-Plank is written, then using this equation we obtain the equation for moments. As far as the fluctuating parameter is approximated by Gauss white noise, in this case SDE is interpreted in sense of Startanovich. Calculating the first and second moment the dispersion of adsorbed ligands on DNA-duplex is determined. Then, understanding that DNA-biosensor output signal through the unit of biosensor surface, conditioned by ligand adsorption on DNA-duplex, is proportional to the number of adsorbed ligands on DNA-duplex, the dependence of non-stationary dispersion on time is determined.

Analysis of the stationary dispersion of DNA-biosensor output signal, at small values of the external noise intensity, shows that fluctuations of the output signal linearly depend on the external noise intensity. It was also shown that along with ligand concentration increase in the solution the fluctuations of DNA-biosensor output signal decrease.

The obtained data permit determining the possible types and noise source from analysis of noise peculiarities of DNA-biosensor output signal.



1. Arakelyan V.B., Haroutiunian S.G., Arakelyan H.V., Haroutiunian T.S. Adsorbtion of Ligands on Macromolecules in the Fluctuating Medium. 2002, vol.20, N 1, pp.135-139.

2. Arakelyan V.B., Antonyan A.P., Parsadanyan M.A., Shahinyan M.A., Vardevanyan P.O. Change of DNA-biosensor output signal, induced by ligand adsorption on DNA-duplexes in fluctuating medium. Biophysics, 2020, v. 65, N4, p. 670-675.