Ваш геном за минуты: Новая нанотехнология может сократить время секвенирования
Ученые из Имперского колледжа Лондона разрабатывают технологию, которая в перспективе позволит секвенировать геном человека всего за несколько минут и по гораздо более низкой цене, чем современные коммерческие методы.
Исследователи запатентовали ранний прототип технологии, которая, по их мнению, может привести к созданию сверхбыстрого коммерческого инструмента для секвенирования ДНК в течение десяти лет. Их работа описана в исследовании, опубликованном в этом месяце в журнале Nano Letters, и поддержана Wellcome Trust Translational Award и Corrigan Foundation.
Исследование предполагает, что в конечном итоге ученые смогут секвенировать весь геном в рамках одной лабораторной процедуры, тогда как в настоящее время это возможно только после разбиения генома на фрагменты в крайне сложном и длительном процессе. Быстрое и недорогое секвенирование генома позволит обычным людям раскрыть секреты своей собственной ДНК, выявив личную предрасположенность к таким заболеваниям, как болезнь Альцгеймера, диабет и рак. Медицинские специалисты уже используют секвенирование генома для понимания проблем здоровья на уровне популяций и поиска способов персонализированного лечения или профилактики.
Доктор Джошуа Эдель, один из авторов исследования с кафедры химии Имперского колледжа Лондона, заявил: «По сравнению с нынешними технологиями это устройство может привести к гораздо более дешевому секвенированию: всего несколько долларов против 1 миллиона долларов за полный геном в 2007 году. Мы еще не пробовали это на целом геноме, но наши первоначальные эксперименты показывают, что теоретически можно провести полное сканирование 3,165 миллиардов оснований в геноме человека за считанные минуты, что принесет огромную пользу для медицинских тестов или ДНК-профилирования в полицейской и охранной работе. Это должно быть значительно быстрее и надежнее, и будет легко масштабируемо для создания устройства с пропускной способностью до 10 миллионов оснований в секунду, против типичных 10 оснований в секунду при использовании современных методов секвенирования одиночных молекул в реальном времени».
В новом исследовании ученые продемонстрировали возможность с высокой скоростью проталкивать цепь ДНК через крошечное отверстие размером 50 нанометров (нм) — или нанопору — в кремниевой пластине, используя электрический заряд. Когда цепь выходит с обратной стороны чипа, её кодирующая последовательность (основания A, C, T или G) считывается «туннельным электродным переходом». Этот зазор в 2 нм между двумя проводами поддерживает электрический ток, который взаимодействует с уникальным электрическим сигналом от каждого нуклеотида. Затем мощный компьютер может интерпретировать сигнал для построения последовательности генома, что впервые позволяет объединить все эти хорошо задокументированные техники.
Секвенирование с использованием нанопор давно считается следующим большим прорывом в технологии ДНК благодаря его потенциалу для высокоскоростного и высокопроизводительного секвенирования. Однако до сих пор не были продемонстрированы конструкции точного и быстрого считывающего устройства.
Соавтор доктор Эмануэле Инстули с кафедры химии Имперского колледжа Лондона объяснил трудности, с которыми они столкнулись: «Проталкивание цепи ДНК через нанопору немного похоже на всасывание спагетти. До сих пор было трудно точно совместить переход и нанопору. Более того, создание электродных проводов таких размеров приближается к атомарному масштабу и фактически находится на пределе возможностей существующего оборудования. Однако в этом эксперименте нам удалось создать электродный переход из двух крошечных платиновых проводов с зазором, достаточно малым для протекания электронного тока между ними».
По словам соавтора Александра Иванова с кафедры химии Имперского колледжа Лондона, эта технология будет иметь несколько явных преимуществ перед современными методами: «Секвенирование нанопорами будет быстрой и простой процедурой, в отличие от доступных коммерческих методов, которые требуют трудоемких и разрушительных химических процессов для расщепления и репликации небольших участков молекул ДНК для определения их последовательности. Кроме того, эти кремниевые чипы невероятно долговечны по сравнению с некоторыми более хрупкими материалами, используемыми в настоящее время. Их можно брать в руки, мыть и использовать многократно без ухудшения производительности».
Доктор Тим Альбрехт, еще один автор исследования с кафедры химии Имперского колледжа Лондона, говорит: «Следующим шагом будет различение разных образцов ДНК и, в конечном счете, отдельных оснований в цепи ДНК (то есть настоящее секвенирование). Я думаю, мы знаем путь вперед, но это сложный проект, и нам предстоит сделать еще много шагов, прежде чем наше видение сможет быть реализовано».