Одно из самых загадочных свойств материи – туннельный квантовый эффект вместе с нанотехнологиями могут помочь в создании точных и недорогих устройств для секвенирования генома.

Стюарт Линдсей (Stuart Lindsay) и его коллеги из Института Биодизайна (Biodesign Institute), части Университета Штата Аризоны (Arizona State University), сообщили в текущем выпуске журнала Nature Nanotechnology Letters о создании нового метода ДНК-секвенирования.

Десятилетие назад секвенирование генома человека было одним из самых громких научных достижений XX века. Сегодня задача по секвенированию 3х миллиардов оснований никого не удивляет, но и не является столь простой задачей. Необходимо помнить, что задача по секвенированию человеческого генома заняла 11 лет и стоила почти миллиард долларов США. При этом использовалась «грубая вычислительная сила» в виде суперкомпьютеров.

Также общеизвестно, что для генной медицины нужно знание не только «человеческого генома» в общем, а набора нуклеотидов ДНК вполне конкретного пациента. На данный момент ни одна технология по секвенированию не позволят считать «на лету» ДНК человека быстро и недорого. Поэтому ученые несколько лет пытаются использовать последние достижения нанотехнологий и микроэлектроники для улучшения секвенаторов. Отдельные ученые предлагают принципиально новые методы их работы.

Основная задача ДНК-секвенатора – точно определить последовательность из четырех оснований – аденина, цитозина, гуанина и тимина. Обычно для этого требуется разбить исходную ДНК на сотни фрагментов, которые обрабатываются параллельно, а затем, с помощью суперкомпьютера все части расшифрованного генома «сшиваются» в один.

Рис. 1. Принцип туннельного секвенирования

Профессор Стюарт Линдсей задумался насчет эффективности подобного секвенирования и решил выяснить, какие же фундаментальные причины мешают более эффективно расшифровать геном.

Оказалось – ширина инструмента, «читающего» последовательность! Как бы не проходила процедура секвенирования, все равно расстояние между двумя основаниями пар нуклеотидов меньше длины инструмента! Поэтому, как подумал Линдсей, необходимо найти альтернативный способ для идентификации оснований.

Выход нашелся сравнительно быстро – на этот раз ученым помогли фундаментальные принципы квантовой механики – туннельный эффект. Туннельный эффект – это возможность элементарной частицы, например электрона, пройти (протуннелировать) через потенциальный барьер, когда барьер выше полной энергии частицы. Возможность существования туннельного эффекта в микромире была понята физиками в период создания квантовой механики, в 20–30-х годах XX века. В дальнейшем за счет туннельного эффекта были объяснены некоторые весьма важные явления, обнаруженные экспериментально в различных областях физики. Туннельный эффект является принципиально квантово-механическим эффектом, не имеющим аналога в классической механике. В этом основной интерес туннельного эффекта для физики и физиков.

Линдсей решил использовать это полезное явление для секвенирования. В качестве основных исследовательских инструментов выступили сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ). Если кончику СТМ ученые прикрепляли один из нуклеотидов, то ведя им вдоль развернутого фрагмента ДНК он встречался с комплементарным ему участком (например гуанин-цитозин), срабатывали водородные химические связи, и ученые видели туннельный ток, протекающий через нуклеотиды.

Давайте представим себе, что есть достаточно точные системы позиционирования молекулы ДНК и быстрое устройство наподобие СТМ с прикрепленными нуклеотидами – тогда остается полностью «просканировать» весь фрагмент, получив сразу полную картину генома. Теоретически это открывает принципиально новую технологию распознавания базовых оснований!

Воодушевившись полученными результатами, исследователи провели измерения туннельного тока, протекающего по парам аденин-тимин и цитозин-гуанин. Оказалось, что сила туннельного тока при равных расстояниях выше в цитозин-гуаниновых парах, имеющих три водородные связи, а пары аденин-тимин, с двумя водородными связями, проводят ток хуже.

Рис. 2. Измерение туннельного тока пары гуанин-цитозин и аденин-тимин

Именно это позволило Линдсею сделать вывод о двойном преимуществе туннельного метода распознавания – кроме самого формирования туннельного канала для протекания электронов при совпадении комплементарных пар, можно еще и уточнить значение тока, протекающего через основания, что в очередной раз идентифицирует пару оснований.

То, что пары Г-Ц и А-Т связаны разным количеством водородных связей Линдсей назвал невероятной удачей, иначе распознать их с помощью этого метода было бы гораздо трудней.

Располагая быстродействующим оборудованием, Линдсей уверен, что на основе туннельный метода идентификации базовых пар удастся сделать секвенатор, способный анализировать тысячи базовых пар за секунду! А это уже ощутимый шаг к появлению экспресс-анализаторов, так необходимых генной медицине. На сегодняшний день профессор и его коллеги заняты совершенствованием СТМ-микроскопа для того, чтобы он мог «нести на себе» несколько типов базовых оснований, что существенно ускорит процесс анализа.

Будем надеяться, что в скором времени мы сможем увидеть развитие этой техники секвенирования.

Свидиненко Юрий