Ученые из Калифорнийского университета, Сан-Диего (UCSD ), изобрели технику быстрого секвенирования ДНК с помощью нанопор. Как утверждают ученые, это поможет ускорить появление геномной медицины, направленной на лечение генетических болезней отдельно взятого человека, исходя из его дефектов в ДНК.

В статье, опубликованной в апрельском выпуске Nano Letters, описывается метод секвенации человеческого генома, занимающий несколько часов. При этом устройство для секвенации на основе нанопор будет недорогим, его смогут приобрести практически любые медицинские учреждения. Сам метод состоит в изменении электрического потенциала при прохождении ДНК через нанопору.

Секвенация ДНК отдельно взятого человека с помощью современной 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 быть обычной клинической процедурой, как, например, анализ крови. Естественно, подобная практика совершит 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, что таким образом можно будет лечить различные генетические заболевания», – говорит Максимилиано Ди Вентра, профессор физики при UCSD.

Ди Вентра и его коллеги перед началом работы над нано-секвенаторами провели предварительное математическое моделирование электрических флюктуаций различных оснований ДНК (аденина, цитозина, гуанина и тимина). Далее они провели комплексный расчет наноструктуры, состоящей из нанопоры (находящейся в подложке из нитрида кремния) диаметром 1 нанометр, которую окружают золотые электроды и молекулы ДНК, находящейся 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 в то время, как ДНК будет находиться в ней.

Предыдущие попытки создать подобный секвенатор (учеными из Иллинойского университета, например, 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 флюктуации молекулы и, поэтому, позволяет снизить 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, – продолжает объяснять 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 флюктуации 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 находится на каком месте. Но нам удалось упорядочить процесс "протаскивания» ДНК через пору, этим мы избавили себя от необходимости точно идентифицировать базы – мы просто записываем их точную последовательность".

Конечно, изготовить массово наносеквенаторы пока очень трудно – нанопоры такого размера и золотые электроды ученые изготавливали «вручную» долгое время. Но они 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» может быть доступен любым здравоохранительным учреждениям, так как стоимость у готового устройства будет невелика.

Модель ДНК, проходящей через нано-секвенатор

«Предложенный нами метод секвенирования ДНК получает информацию о биомолекуле с гораздо меньшим количеством ошибок. Например, метод Сангера, которым пользовались ранее, не дает такой точности».

Работа ученых поддержана Национальным Научным обществом, Национальным Институтом Геномики и Национальным Институтом Здоровья США.

Ранее, в 2004 Национальным Научным обществом США была запущена программа по исследованию альтернативных недорогих методов секвенирования ДНК, которые позволят получить полную информацию о геноме человека всего за $1000. Как говорят коллеги калифорнийских ученых, они сделали большой шаг навстречу этой цели.

“Мы выбрали новый подход для решения этой проблемы, – говорит Ди Вентра. – Для нас ДНК-набора атомов, которые необходимо проанализировать. И у нас получилось это сделать".