Однажды нанопоры могут привести к революции в секвенировании ДНК. Двигая молекулы ДНК по одной через крошечные отверстия в тонкой мембране можно расшифровать длинные отрезки ДНК молниеносно.

Ученым пока не известна физика того, как полимерные нити наподобие ДНК взаимодействуют с нанопорами. И вот теперь, с помощью вируса специфического типа, исследователи из университета Брауна пролили свет на физику нанопор.

«Что особенно интересно, так это то, что каждый в данной области изучает ДНК и разрабатывает модели того, как она взаимодействует с нанопорами», сообщил доцент Дерек Штейн. „Но даже основные моменты, которые, как вы надеялись, предскажут модели, задействующие основные свойства ДНК, раскрыть не получается. Единственный выход — исследовать нечто другой, пойти другим путем“.

Результаты, опубликованные в издании Nature Communications, могут не только помочь в разработке нанопористого устройства для секвенирования ДНК, но и привести к новому методу обнаружения опасных патогенов.

Определение физической природы

Концепция, лежащая в основе нанопористого секвенирования, довольно проста. В мембране проделывается отверстие диаметром всего несколько миллиардных долей метра. Мембрана разделяет два резервуара с соленой водой. Через систему проводится электрический ток, в результате чего заряженная нить ДНК фиксируется и проводится через пору. Этот феномен назван транслокацией. Когда молекула перемещается, она вызывает явные изменения электрического тока в поре. Тщательно присмотревшись к этим изменениям тока, ученые могут суметь отличить отдельные нуклеотиды (A, C, G и T), кодированные в молекулах ДНК.

Первые коммерческие нанопористые секвенаторы могут появиться не раньше, чем через несколько лет, но, несмотря на прогресс в данной области, удивительно мало известно о физических основах взаимодействия полимеров с нанопорами. Отчасти дело обстоит так из-за сложностей изучения ДНК. В растворе молекулы ДНК формируют шары из рандомных загогулин, что чрезвычайно усложняет понимание их физического поведения.

Например, недостаточно хорошо поняты факторы, определяющие скорость транслокации ДНК. Иногда молекулы просачиваются через поры быстро, а в другое время скользят медленно, и никто не знает, почему так происходит.

Одно возможное объяснение заключается в том, что волнистая конфигурация ДНК приводит к тому, что каждая молекула вызывает различное сопротивление, когда протягивается в воде через пору.

«Если бы молекула рядом с порой сминалась, она проделывала бы свой путь через пору быстрее, и чувствовала бы меньше сопротивления», сообщил ведущий автор Ангус Макмаллен. „Но если бы молекула растягивалась, то через пору она проходила бы во всю длину, в результате чего процесс становился бы более длительным“.

Эффект волочения экспериментально воспроизвести с помощью ДНК невозможно. Зато, как установили ученые, можно использовать вместо ДНК вирус.

Исследователи решили применить безвредный вирус fd, который инфицирует бактерию e. coli. Два качества делают этот вирус идеальным кандидатом на исследование с нанопорами. Во-первых, все fd-вирусы являются идентичными клонами друг друга. Во-вторых, в отличие от волнистой ДНК, fd-вирус — жесткая молекула, похожая на прут. Поскольку вирус не закручивается, как ДНК, эффект волочения каждый раз будет одним и тем же.

Устранив волочение как источник различий скорости транслокации, исследователи ожидали, что единственным источником этих различий будет эффект теплового движения. Крошечные молекулы вирус постоянно противодействуют молекулам воды, в которую они погружены. Несколько случайных тепловых стимулов с тыла способны ускорить прохождение вируса через пору, а несколько стимулов спереди — замедлить.

Эксперименты показали, что тепловое движение объясняет лишь большую часть различий в скорости транслокации, а не все без исключения. К удивлению ученых, они обнаружили другой источник изменений, которые увеличились, кода напряжение через пору возросло.

«Мы полагали, что физика процесса будет совершенно прозрачной», сказал доцент физики и инжиниринга Джей Тонг. „Вирус с жесткой структурой и определенным диаметром позволяет ожидать совершенно четкий сигнал. Однако мы обнаружили лишь частично объяснимую физику“.

Исследователи не могут сказать наверняка, что именно вызывает наблюдаемое изменение, но у них есть ряд идей.

«Было предсказано, что в зависимости от местоположения объекта в поре можно тянуть его сильнее или слабее», сказал Макмаллен. „Если объект расположен в центре поры, он протягивается чуть слабее, чем если бы он был у самого края. Это было предсказано, но не подтверждено экспериментально“.

На пути к созданию нанопористого секвенатора

Лучшее понимание скорости транслокации способно улучшить точность нанопористого секвенирования, отметил Макмаллен. Также это может помочь в измерении длины нитей ДНК.

«Если можно предсказать скорость транслокации, то удастся вычислить длину ДНК из того, насколько долгим был процесс транслокации», заявил ученый.

Исследование также помогло выявить другие аспекты процесса транслокации, что может оказаться полезным в разработке устройств будущего. Исследование показало, что электрический ток обычно сначала выравнивает вирусы головкой к поре, однако в случаях, когда вирусы не выровнены в линию, они подпрыгивают у края поры, пока тепловое движение не выровняет их. Если напряжение становится слишком высоким, тепловые эффекты подавляются, и вирус удерживается у мембраны. Это предполагает наличие зоны наилучшего восприятия в напряжении, когда перемещение головой вперед является наиболее вероятным.

Ни один из эффектов нельзя увидеть напрямую, поскольку система слишком мала. Однако ученым удалось установить происходящее, наблюдая изменения, которые происходят в потоке через пору.

«Кода вирусам не удается пройти через пору, они вьются вокруг, и мы можем видеть это возмущение в потоке», сказал Штейн. „С этими возмущениями мы начинаем понимать, что делает молекула, прежде чем пройти через пору“.

С ДНК подобный эксперимент не удался бы, поскольку через пору она может проходить в свернутом состоянии. Вирус же слишком жесткий, чтобы сворачиваться, что позволило ученым изолировать и наблюдать его динамику.

Работа может оказаться полезной не только в понимании физики процесса. В то время как сам fd-вирус безопасен, бактерии, зараженные им, остаются патогенами. На основе данной работы ученые смогут создать нанопористое устройство для обнаружения наличия fd и бактерии. Кроме того, есть и другие вирусы с похожей жесткой структурой, например, вирус Эбола и вирус Марбурга.

«Метод может оказаться простым способом выявления этих вирусов», добавил в заключение Тонг.