Ученые мечтают о снижении стоимости секвенирования генома человека до 1000 долларов. Эта возможность ознаменует собой вступление в новую эру персонализированной медицины, когда лечение будет адаптировано к генетическим особенностям пациента. Одной из технологий, которые могут приблизить исполнение этой мечты, является секвенирование ДНК с помощью нанопор. Исследователи из Гарвардского университета (Harvard University) считают, что они сделали большой шаг к тому, чтобы эта технология действительно заработала.

При нанопоровом секвенировании электрическое поле проталкивает находящиеся в водном растворе ионы и цепочки ДНК через крошечную пору в белке или отверстие в твердотельной мембране. Так как поры не намного шире, чем молекула ДНК, ее проход изменяет ионный ток, по специфическому воздействию на который можно определить каждое из четырех азотистых оснований – G, T, C и A, – в последовательности которых зашифрован код жизни.

Но величина этого тока очень мала и измеряется в пикоамперах. Кроме того, ДНК проходит через нанопору с такой скоростью, что электроника не в состоянии различить столь малый сигнал за такой короткий промежуток времени. Один из уже опробованных подходов к решению этой проблемы заключался в замедлении скорости прохождения ДНК через нанопору, но это решение нельзя назвать совершенным.

Команда из лаборатории профессора химии Чарльза Либера (Charles Lieber) пошла другим путем: ученые решили усилить сигнал. Их устройство-чип включает в себя полевой транзистор из кремниевой нанопроволоки, помещенный на мембрану из нитрида кремния. Пора представляет собой мельчайшее отверстие, проходящее как через нанопроволоку, так и через мембрану. Как и в обычных чипах на нанопорах, с каждой стороны мембраны находятся небольшие камеры с раствором хлористого калия с плавающими в них молекулами ДНК. Но в большинстве систем концентрация раствора по обе стороны мембраны одинакова. В гарвардском чипе концентрация раствора со стороны транзистора составляет всего 1 процент от концентрации по другую сторону мембраны.

Схема измерительного NW–NP устройства (NW-нанопроволока, NP-нанопора). (Nature)

Вместо измерения изменения в токе, вызванного проходящим фрагментом ДНК, этот чип измеряет проводимость нанопроволочного транзистора около нанопоры, которая пропорциональна току и напряжению. Более низкая концентрация ионов на транзисторной стороне мембраны создает локализованное распределение напряжения вокруг отверстия поры, что модулирует большой ток, проходящий через транзистор, и тем самым усиливает сигнал. По утверждению постдокторанта лаборатории профессора Либера Пинга Се (Ping Xie), первого автора статьи, опубликованной он-лайн в журнале Nature Nanotechnology, другим системам на нанопорах приходится измерять сигналы от десятков пико- до нескольких наноампер. «Теперь можно измерять ток от десятков до сотен наноампер».

Существующие нанопоровые системы работают на частотах от 10 до 100 килогерц – недостаточно быстро для ДНК, перемещающейся через пору со скоростью примерно 1 миллион оснований в секунду. Гарвардская версия в принципе должна работать на частотах до нескольких гигагерц – гораздо быстрее, чем движется ДНК, хотя у ученых нет оборудования, чтобы проверить это предположение.

Нанопоровое устройство с транзистором из кремниевой нанопроволоки. Расположение нанопоры обозначено черным кружком,
никелевых контактов – белыми пунктирными линиями, нанопроволоки между двумя контактами – черным пунктиром.
Цветовая гамма соответствует изменению проводимости. Напряжение 10 V. (SGM). (Nature)

Геном человека представляет собой последовательность из 3 млрд. пар нуклеотидов, поэтому, даже при высоких скоростях, секвенирование ДНК чипом с одной нанопорой займет слишком много времени. Секвенсоры должны состоять из множества нанопор. Однако в предыдущих конструкциях между соседними нанопорами наблюдаются перекрестные электрические помехи, если только каждая из них не помещена в отдельную камеру с раствором. Гарвардского версия основана на сильно локализованном напряжении, которое сконцентрировано в пределах 30–50 нанометров от отверстия, что предотвращает возникновение перекрестных помех, если нанопоры находятся на расстоянии хотя бы нескольких микрометров друг от друга. По словам Се, конструкция секвенсора должна позволять объединить в одном чипе множество нанопор с общими камерами для раствора.

Джошуа Эдель (Joshua Edel), старший преподаватель кафедры микро- и нанотехнологий в Имперском колледже Лондона (Imperial College London), считает, что эта схема может работать. Так как измеряется проводимость, «в конечном счете, здесь есть возможность добиться гораздо более высокого разрешения в различении оснований ДНК в сравнении с подходом, основанным на ионном токе», говорит Эдель.

«Я думаю, это захватывающий и перспективный подход и направление, развитие которого стоит продолжать», – высказывает свое мнение Мария Дрндич (Marija Drndic), адъюнкт-профессор физики в Университете штата Пенсильвания (University of Pennsylvania). Ее группа независимо от группы профессора Либера изучает возможность замены кремниевых нанопроволок в нанопорах секвенсоров на графеновые, которые имеют еще более высокую проводимость и, следовательно, смогут генерировать еще более мощные сигналы.

Аннотация к статье

Local electrical potential detection of DNA by nanowire–nanopore sensors