В Великобритании создан самый крошечный автоматический расшифровщик генома в мире. Он появится на прилавках уже в нынешнем году, причём — с довольно привлекательным ценником. А компанию ему составит не менее интересный ДНК-анализатор, заключённый в сервере.

Компания Oxford Nanopore Technologies представила миниатюрный одноразовый определитель последовательности оснований в молекуле ДНК — MinION.

Полностью автономный приборчик, по размеру чуть крупнее памяти-флэшки, подключается к USB-порту ноутбука или ПК. Он содержит все элементы, необходимые для полного секвенирования генома: микропотоковые системы, уникальный сенсор и специализированную электронику.

Рис. 1. Точность работы новичка – на уровне существующих систем секвенирования, утверждают создатели прибора (фото Oxford Nanopore Technologies).

Аппарат производит прямое считывание «букв» ДНК и в реальном времени отражает их на экране, а также записывает в память компьютера.

Исследователи могут заранее определить, какой объём информации им нужен для целей того или иного опыта, или какой фрагмент генетического кода они ищут, и прекратить расшифровку сразу по достижении результата, чтобы быстро перейти к новому эксперименту.

Подготовка образцов для системы MinION тоже не требует больших усилий. Прибор работает с двухцепочечной ДНК, причём ему не требуется предварительная амплификация.

В некоторых случаях сенсор может выделить молекулу сразу же из пробы крови или сыворотки, а иногда может понадобиться небольшая предварительная обработка смеси.

Ещё интереснее, что прибор MinION является побочным проектом, родившимся при создании более крупной и мощной многоразовой системы секвенирования — GridION. Обе используют одну технологию расшифровки генома, над которой группа биохимиков из Британии и США работала около 20 лет (считая от появления голой идеи).

В основе механизма лежит полимерная мембрана со встроенными нанопорами. Эта часть прибора получена комбинацией натуральных (белки) и синтетических молекул.

Рис. 2. Нанопоры в мембране спроектированы так, чтобы пропускать строго определённые молекулы (иллюстрация Oxford Nanopore Technologies).

В это время подключённая к поре электронная схема фиксирует электрические колебания. По их специфическому профилю аппарат вычисляет каждую прошедшую базовую пару, причём с высокой точностью даже для очень длинных фрагментов «молекулы жизни».

Рис. 3. Белковая нанопора в мембране. Через неё идёт ионный ток, в котором возникают «перебои», различающиеся в зависимости от вида проходящих через эти «ворота» молекул. По степени отклонения тока электроника идентифицирует базовые основания ДНК (иллюстрация Oxford Nanopore Technologies).

В отличие от своего крохотного собрата система GridION представляет собой нечто вроде комплекса серверов-дешифраторов (компания называет их узлами — GridION node).

Каждый такой узел имеет слот для одноразового картриджа. Последний содержит весь набор реагентов, необходимых для полного анализа ДНК, и собственно чип-анализатор с двумя тысячами описанных выше нанопор.

Узел GridION node с высокой точностью измеряет ионные токи внутри чипа, расшифровывает их и выводит на дисплей результат секвенирования. Параллельно последовательность генетического кода записывается на внешний жёсткий диск или другой компьютер (через USB или Сеть).

За сутки один GridION node способен выдать десятки гигабайт данных по последовательности оснований в изученных ДНК.

Рис. 4. Аппарат GridION может быть настроен на поиск не только в образце и анализ ДНК, но и других молекул – нужных учёным белков или, к примеру, взрывчатых соединений (иллюстрация Oxford Nanopore Technologies).

Хотя «сервер» GridION node способен работать как самостоятельное настольное оборудование, наиболее впечатляющий результат достигается, когда несколько таких аппаратов объединяются в серверную стойку (стандартной ширины 19 дюймов) и действуют согласованно, обмениваясь данными прямо в ходе декодирования.

(Кстати, размеры и разъёмы GridION node соответствуют обычному серверу.)

Рис. 5. Картриджи для GridION (фотографии Oxford Nanopore Technologies).

В 2013 году должна выйти версия GridION node уже на 8000 нанопор, и она должна работать быстрее предшествующей модели.

По информации разработчиков, 20 таких машин в одной серверной стойке смогут декодировать весь геном того или иного человека всего за 15 минут.

Оба аппарата, и GridION (в первой версии), и поразительный MinION, намечено выпустить на рынок в 2012 году. Изготовитель намерен установить конкурентоспособные цены, в сравнении с самыми последними технологиями скоростной расшифровки генома.

В частности, «секвенсор ДНК — флэшка» будет стоить менее $900, передаёт Technology Review.

Рис. 6. «Сервер» GridION node и набор таких узлов в серверной стойке. Один GridION node потребляет менее 50 ватт мощности, подчёркивает компания одно из преимуществ аппарата (иллюстрации Oxford Nanopore Technologies).

Тут нужно вспомнить, что чуть больше года назад американская компания Life Technologies представила настольный персональный расшифровщик генома Personal Genome Machine, стоящий менее $100 тысяч.

Принцип, примёнённый в нём, отличается от технологии GridION, но есть и общая черта: для автоматизированного секвенирования учёные тоже разработали микрочип, сочетающий в себе электронику с химией.

В январе 2012 года Life Technologies (вернее, её дочерняя фирма Ion Torrent) показала свою новую модель дешифратора генома под названием Ion Proton. Эта машина оценена уже в $149 тысяч, но зато чип-анализатор, скрывающийся внутри, в 1000 раз более мощный, чем прежний образец.

Рис. 7. Аппарат Ion Proton способен прочитать полный геном человека за один день при стоимости «расходников» в $1 тысячу (фото Ion Torrent Systems/Life Technologies).

Все упомянутые аппараты должны устранить, как говорят учёные, одно из узких мест в целом ряде биологических и медицинских исследований – медленное декодирование генома.

Теперь такую задачу могут брать на себя сравнительно мелкие лаборатории, а в случае с расшифровщиком-флэшкой можно сказать, что технология декодирования ДНК находится на пороге того, чтобы прийти чуть ли не в каждый дом, подобно тому, как сейчас люди самостоятельно анализируют содержание сахара в крови.