Ученые из Федеральной политехнической школы в Лозанне нашли способ существенно увеличить точность чтения ДНК методом протаскивания сквозь нанопору. Выигрыш в точности удалось получить за счет использования особого рода растворителей, в который ДНК движется значительно медленнее, чем в обычной воде. Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology, препринт статьи доступен на сайте arXive.org.

Секвенирование ДНК протаскиванием через пору происходит следующим образом. Одноцепочечную нуклеиновую кислоту помещают в раствор, разделенный тонкой мембранной на две части. В мембране имеется пора, в которую ДНК попадает за счет того, что к разным частям раствора прикладывается электрическое напряжение (в растворе ДНК заряжена отрицательно и движется к аноду). Проходя через пору разные основания в ДНК по-разному ее закрывают. Из-за этого в цепи по-разному падает сила тока: меняется глубина и время падения напряжения. Наблюдая за этим падением, можно, теоретически, восстановить последовательность нуклеиновой кислоты.

Микрофотография поры для секвенирвоания ДНК в сульфиде молибдена

Проблема заключается в том, что при требуемом напряжении ДНК движется слишком быстро: за одну миллисекунду сквозь пору «пролетают» обычно от трех до 50 тысяч оснований. Из-за этого на практике точность определения последовательности оказывается очень низкой. Уменьшением напряжения эту скорость снизить нельзя: при этом пропорционально падает амплитуда сигнала.

В новой работе ученые решили применить для замедления ДНК принципиально иной тип растворителя. Речь идет о ионных жидкостях —органических веществах, которые в жидком виде полностью состоят из ионов. В отличие от обычного водного раствора ионные жидкости оказались лучше приспособлены для такого типа секвенирования. Они способны замедлять движение ДНК (примерно в тысячу раз) и при этом обеспечивать электрический ток через пору, достаточный по амплитуде для определения последовательности оснований.

Глубина (по ординате) и время падения (по абсциссе) тока через пору в зависимости от природы основания, которое эту пору в данный момент занимает. Изображение: Jiandong Feng et al., Nature Nanotechnology, 2015

Ионная жидкость позволяет значительно увеличить время задержки каждого основания в поре и, следовательно, длительность падения тока. Изображение: Jiandong Feng et al., Nature Nanotechnology, 2015

Следует отметить, что новизна метода заключается не только в использовании ионных жидкостей, но и в применении нового вида мембран из  сульфида молибдена (MoS₂). В отличие от графена (который ранее уже пытались применять для секвенирования, но не слишком успешно), этот материал не адсорбирует на себе ДНК, что существенно упрощает весь процесс.

Новая технология относится к классу методов чтения ДНК, где в качестве поры используются отверстия в неорганических веществах. Уже довольно давно параллельно развиваются технологии секвенирования, где в качестве поры используются природные биологические каналы. В этих методах не возникает проблемы слишком быстрого простаскивания ДНК через отверстие (скорее наоборот). Основные сложности с этими методами обусловлены тем, что белковые комплексы довольно быстро изнашиваются и требуют частой замены и обслуживания. Мембраны и поры, подобные той, что использовались в настоящей работе, такими недостатками не обладают — они «практически вечны». Подробнее о методах секвенирования можно прочитать здесь.

Автор: Александр Ершов