Основанная на генах персонализированная медицина открывает широкие перспективы в диагностике и адресной терапии, но развитию этой области препятствует одно «узкое место»: дорогой и трудоемкий процесс секвенирования ДНК. Однако недавно ученые установили, что дисульфид молибдена может сделать секвенирование ДНК точнее, быстрее и дешевле, чем любой другой из доступных на сегодня материалов.

Молекула ДНК проходит через нанопору в слое дисульфида
молибдена, материале, который, по мнению ученых, сделает
секвенирование ДНК более точным, быстрым и дешевым.
(Фото: Amir Barati Farimani)

Основанная на генах персонализированная медицина открывает широкие перспективы в диагностике и адресной терапии, но развитию этой области препятствует одно «узкое место»: дорогой и трудоемкий процесс секвенирования ДНК.

Однако недавно ученые Университета штата Иллинойс в Урбана-Шампейн (University of Illinois at Urbana-Champaign) установили, что дисульфид молибдена (MoS2) может сделать секвенирование ДНК точнее, быстрее и дешевле, чем это делает любой другой из доступных на сегодня материалов.

«Одной из важнейших областей науки является секвенирование генома человека по цене ниже $1000, «геном на дому»», – говорит руководитель исследования профессор механики и инженерии Нараяна Алуру (Narayana Aluru). «Сейчас идет настоящая охота на хороший материал. Мы использовали MoS2 для решения других проблем и подумали, почему бы нам не посмотреть, не подойдет ли он для секвенирования ДНК».

По-видимому, MoS2 превосходит все другие материалы, используемые для нанопорного секвенирования, в том числе и графен.

Нанопора представляет собой крошечное отверстие, пробуренное в тонком листе материала. Эта пора достаточно велика, чтобы через нее могла пройти молекула ДНК. ДНК проталкивается через нанопору электрическим током, и колебания тока в период прохождения через нее биомолекулы позволяют определить ее нуклеотидную последовательность, так как каждая из четырех букв алфавита ДНК – A, C, G и T – немного отличается по форме и размеру.

Большинство материалов, используемых для секвенирования ДНК с помощью нанопор, имеют значительный недостаток: они слишком толстые. Толщина даже очень тонкой пластины большинства материалов больше размера несколько звеньев цепи ДНК, что делает невозможным точное определение ее нуклеотидной последовательности.

Один из самых часто используемых для секвенирования ДНК материалов – графен, так как он представляет собой одноатомный слой углерода, что означает, что одномоментно через пору проходит только одно основание. К сожалению, с графеном тоже связан ряд проблем, и наиболее значимая из них – прилипание к нему молекулы биополимера. Взаимодействие ДНК с графеном индуцирует большое количества шума, что сильно затрудняет считывание тока.

MoS2 тоже представляет собой одноатомный слой, достаточно тонкий для того, чтобы одномоментно через нанопору проходила только одна буква ДНК. Профессор Алуру и его коллеги установили, что ДНК не прилипает к MoS2 и проходит через пору аккуратно и быстро.

«MoS2 является конкурентом графена в области транзисторов, но, показав, что он способен быть биодатчиком, мы продемонстрировали новые технические возможности этого материала», – комментирует аспирант Амир Барати Фаримани (Barati Farimani), первый автор статьи.

Компьютерное моделирование секвенирования на основе MoS2 дало четыре различных сигнала, соответствующих основаниям двухцепочечной молекулы ДНК. Другие системы дают в лучшем случае два – A/T и C/G, – которые затем требуют сложного вычислительного анализа, чтобы отличить А от Т и С от G.

Сейчас исследователи изучают, можно ли достичь еще большей производительности путем сочетания MoS2 с каким-либо другим материалом.

«Конечной целью данного исследования является создание домашнего, или персонального, устройства для секвенирования ДНК», – комментирует Барати Фаримани. «Найдя технологии, позволяющие быстро, дешево и точно идентифицировать геном человека, мы приближаемся к этой цели. Карта нашей ДНК может помочь предотвратить или обнаружить заболевания на самых ранних стадиях развития. Если мы получим возможность дешево секвенировать свою ДНК, мы будет знать свою генетическую карту и будем гораздо более внимательны к тому, что происходит в нашем организме».

Оригинальная статья:

DNA Base Detection Using a Single-Layer MoS2