LEGO-подобная техника сборки молекул ДНК — новый шаг в разработке биосенсоров

Полимеры — это вещества, состоящие из длинных цепочек молекул (мономерных звеньев), соединенных химическими или координационными связями. Одним из ярких примеров полимеров являются ДНК и РНК, которые представляют собой множество соединенных последовательных копий нуклеотидов.

Внутри организма полимеры двигаются между клетками, при этом проходя через нанометровые отверстия или нанопоры. Этот процесс лег в основу метода анализа и секвенирования ДНК (установления последовательности нуклеотидов в молекуле) и получил название «Зондирование нанопор».

Теперь ученые из Массачусетса и Кембриджа разработали новую технику сборки молекул ДНК. Как известно, этот строительный материал организма представляет собой не гладкие кирпичики, а имеет неровности на своей поверхности. Это натолкнуло ученых на создание новой модели сборки молекул, которая напоминает детский конструктор LEGO. 

Исследователи пропустили собранную модель сквозь нанопоры и проанализировали при этом изменения структуры потока ионов, что помогло им с большой точностью определить изменение скорости ДНК при движении.

По результатам эксперимента стало ясно, что скорость ДНК меняется поэтапно: сначала она замедляется, а ближе к концу транслокации (хромосомной мутации, при которой происходит перенос части хромосомы) ускоряется. С помощью созданной модели исследователи смогли увидеть этот двухэтапный процесс и выявить, что в его основе лежит изменение трения ДНК с окружающей средой.

LEGO-подобный метод сборки молекулярной ДНК позволил рассмотреть процесс прохождения полимеров через мельчайшие отверстия совсем под другим углом. Теперь ученые-физики могут наблюдать и измерять молекулярные процессы с мельчайшими подробностями, и результаты дальнейших экспериментов помогут им разрабатывать биосенсоры на основе нанопор. 

Такие датчики помогут локализовать определенные последовательности человеческой ДНК с нанометровой точностью, чтобы выявить различные хромосомные заболевания на ранней стадии. 

Ранняя диагностика крайне важна для успешного своевременного лечения, но  ранее она была связана с большими техническими проблемами — выявить отклонение в маленьком объеме клинического образца с небольшой концентрацией молекул довольно сложно. Ученые более трех десятков лет разрабатывали и изучали миниатюрные биосенсоры, чтобы идентифицировать отдельные молекулы. 

Теперь вполне вероятно, что спустя некоторое время подобные биосенсоры смогут находить маркеры рака и других болезней быстрее и лучше, а также помогут повысить эффективность лечения этих заболеваний.

Кроме того, ученым станет доступно декодирование цифровой информации, которая хранится в ДНК, с большей точностью и меньшим числом ошибок.