Ученые из Калифорнийского университета разработали технику быстрого определения нуклеотидной последовательности молекулы ДНК с помощью нанопор. Как утверждают авторы нового метода, это поможет ускорить дальнейшее развитие геномной медицины, направленной н
Секвенация человеческого генома
по методу ученых из Калифорнийского университета занимает несколько часов, сообщает Nano Letters. Устройство для секвенации на основе нанопор будет недорогим — его смогут приобрести любые медицинские учреждения. Сам метод заключается в изменении электрического потенциала при прохождении ДНК через нанопору.
Секвенация ДНК отдельно взятого человека с помощью существующей техники займет несколько месяцев и будет стоить миллионы долларов, что, естественно, не позволяет детально исследовать геном пациентов и на его основе лечить генетические болезни. Если же появится устройство быстрого секвенирования, то анализ ДНК может вполне стать обычной клинической процедурой, как, например, анализ крови, что произведет настоящую революцию в медицине.
«Одно из потенциальных применений ДНК-нанопоры — в диагностике генетических заболеваний. Мы можем оснастить канал различными протеинами, которые при взаимодействии с ДНК, находящейся в нем, будут изменять силу протягивания биомолекулы. По величине этой силы можно говорить о каких-либо отклонениях от нормы в молекуле и, соответственно, выделять ее поврежденные участки. Возможно, таким образом удастся вылечить различные генетические заболевания», — говорит доктор Максимилиано Ди Вентра, профессор физики из Калифорнийского университета.
Д-р Ди Вентра и его коллеги перед началом работы над наносеквенаторами провели предварительное математическое моделирование электрических флуктуаций различных оснований ДНК (аденина, цитозина, гуанина и тимина). Затем был проведен комплексный расчет наноструктуры, состоящей из нанопоры диаметром 1 нм в подложке из нитрида кремния. Нанопору окружают золотые электроды и молекулы ДНК, находящиеся непосредственно в канале нанопоры.
Результаты показали, что каждая пара оснований ДНК имеет свою неповторимую электрическую «подпись», которую можно идентифицировать, приложив напряжение на золотые электроды нанопоры, пока ДНК будет в ней находиться.
Предыдущие попытки создать подобный секвенатор, предпринятые учеными из Иллинойсcкого университета, которые создали полноценный ДНК-чип, не увенчались успехом из-за высокого уровня шума сигналов, полученных от ДНК. Шум, в свою очередь, был вызван изгибом и скручиванием молекулы в нанопоре из-за высокого приложенного напряжения.
В новом типе секвенатора ученые так скоординировали электроды, что электрический ток проходит не вдоль ДНК, а поперек, что заметно снижает электродинамические флуктуации молекулы и позволяет свести паразитный шум к минимуму.
«Мы разрабатывали устройство, способное записывать последовательности нуклеотидов ДНК по мере того, как биомолекула проходит через тонкую пору в специальной мембране из нитрида кремния, — поясняет д-р Ди Вентра. — Чем меньше диаметр нанопоры, тем точнее мы можем управлять положением в ней молекулы, и, соответственно, наши шансы на прочтение последовательности нуклеотидов увеличиваются. Однако ДНК „не хочет“, чтобы ее секвенировали, поэтому флуктуации будут все время повторяться по мере того, как молекулу будут протягивать через нанопору. А измеренный ток не дает полной информации о том, какая из баз где находится. Но нам удалось упорядочить процесс „протаскивания“ ДНК через пору, и этим мы избавили себя от необходимости точно идентифицировать базы — мы просто записываем их точную последовательность».
Конечно, наладить массовое изготовление наносеквенаторов пока очень трудно — нанопоры такого размера и золотые электроды ученые изготавливали «вручную» долгое время. Но авторы разработки не сомневаются в том, что вскоре технология массового производства матриц с нанопорами будет налажена, и врачи получат бесценный инструмент для лечения генетических заболеваний. «Быстрый секвенатор» станет доступен любым здравоохранительным учреждениям, так как стоимость готового устройства будет невелика.
#gallery#
Предложенный учеными метод секвенирования ДНК позволяет получать информацию о биомолекуле с гораздо меньшим количеством ошибок. Метод Сангера, которым пользовались ранее, по мнению специалистов, не дает такой точности.
