Проект Геном человека (Human Genome Project) привел к появлению новой науки – геномики, в возможностях которой изучение генома отдельного организма. Персонализированная геномика способна установить взаимосвязь между встречающимися у людей вариациями последовательностей ДНК и состоянием их здоровья, а также реакцией на лекарственные препараты и методы лечения. Однако, чтобы сделать секвенирование генома рутинной процедурой, ее проведение не должно занимать больше одного дня, а цена должна упасть ниже отметки в 1000 долларов, чего невозможно достичь при современном состоянии знаний и технологий.

Доцент кафедры физики
Университета Иллинойса
в Урбана-Шампейн
Алексей Аксиментьев
(Фото: tacc.utexas.edu)

В 2008 году исследовательская группа, возглавляемая Алексеем Аксиментьевым (Aleksei Aksimentiev), доцентом кафедры физики Университета Иллинойса (Урбана-Шампейн) (University of Illinois-Urbana-Champaign), начала проект по созданию более доступного для больниц устройства для секвенирования генома. Используя один из самых быстрых в мире суперкомпьютеров Jaguar, принадлежащий Национальной лаборатории в Оук Ридж (Oak Ridge National Laboratory), Аксиментьев и его группа разрабатывают новый подход к созданию нанопор, который обещает значительное сокращение финансовых затрат и времени на секвенирование ДНК. Их исследование выявляет форму ДНК, проходящей через отдельную нанопору – белковую пору шириной в одну миллиардную долю метра, пронизывающую мембрану. При прохождении ДНК через нанопору последовательность нуклеотидов (строительных блоков ДНК) считывается детектором.

«Главным препятствием на пути секвенирования при использовании биологических и синтетических нанопор предыдущего поколения является невозможность определить последовательность ДНК с разрешением в один нуклеотид», – объясняет Аксиментьев. «Нуклеотиды проходят через пору слишком быстро».

Аксиментьев и его коллеги используют нанопору из инженерного белка MspA. Чтобы он мог более прочно связаться с перемещающейся цепочкой ДНК, его последовательность должна быть изменена. MspA – идеальная платформа для секвенирования ДНК, потому что теперь ученые могут оценивать и измерять «заторы» в поре, которые могут замедлить прохождение ДНК через белок. Изменение белка MspA с целью оптимизировать такие преграды – трудоемкая и дорогая работа в лаборатории, но простая на компьютере. Например, чтобы каким-либо образом изменить белок, ученые должны определить, является ли внесенная ими мутация стабильной, а идея рациональной. Поэтому, чтобы принять решение о мутации и проверить идеи с высокой степенью риска до их реализации в эксперименте, они сначала моделируют MspA.

Ученые создали модель взаимодействия ДНК с инженерным белком. Эта система может замедлить перемещение цепочки ДНК через пору и дать возможность считать геном пациента. (Изображение: Aleksei Aksimentiev)

Исследователи используют код NAMD, который вычисляет состояния минимальной энергии атомов в большой биомолекулярной системе и является индикатором того, какое состояние энергетически более выгодно для молекулы и какую, исходя из этого, форму она, скорее всего, примет. Сначала они строят модель белка MspA, погруженного в липидный бислой и раствор электролита. Затем через MspA-нанопору пропускается цепочка ДНК с желательной последовательностью нуклеотидов. Наконец ученые моделируют действие электрического поля, перемещающего через нанопору MspA ионы и ДНК.

Чтобы имитировать экспериментальную систему, в моделировании используется молекулярная динамика, или расчет движения каждого атома в молекулярной системе, подчиняющегося физическим законам природы. Результаты моделирования могут быть непосредственно сравнены с экспериментальными данными, так как оба подхода основаны на измерении ионного тока, объясняет Аксиментьев. Знание положения каждого атома и иона ДНК дает ученым преимущество – они могут оптимизировать секвенирование, используя рациональную конструкцию поры, которая более плотно «обхватывает» ДНК, замедляя продвижение молекулы до скорости, позволяющей идентифицировать каждый отдельный нуклеотид.

Исследование получило 10 миллионов процессорных часов на Jaguar благодаря программе INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment), которая предоставляет значительные ассигнования проектам, занимающимся крупнейшими проблемами в области науки и техники, для работы на самых мощных суперкомпьютерах.

«Мы провели пилотное исследование нескольких вариантов нанопоры из белка MspA и наблюдали значительное снижение скорости цепочки ДНК», – говорит Аксиментьев. «Эти очень предварительные результаты показывают, что 100-кратное снижение скорости ДНК, которое было бы достаточно для считывания последовательности с разрешением в один нуклеотид, находится в пределах досягаемости. Ближайшие исследования будут направлены на достижение этой цели».

Ученые надеются достичь ее к 2013 году и планируют развивать ряд интересных сопутствующих проектов. Возможность сделать секвенирование генома доступным будет способствовать развитию такой программы, как проект Геном рака (Cancer Genome Project), выявляющей мутации ДНК раковых клеток различных тканей на протяжении всех стадий развития этого заболевания.

Работа финансируется Национальным научно-исследовательским институтом генома человека (National Human Genome Research Institute) Национального института здравоохранения (National Institutes of Health) США. Разработка метода проекта частично финансируется Национальным научным фондом (National Science Foundation) США.