Секвенирование полного генома моделируется на суперкомпьютерах
Персонализированная геномика может установить связь между вариациями в последовательности ДНК у разных людей и их состоянием здоровья, а также реакцией на лекарства и методы лечения. Однако для того чтобы секвенирование генома стало рутинной процедурой, его время должно быть сокращено до менее чем одного дня, а стоимость — до менее чем $1000, что невозможно при текущих знаниях и технологиях.
В 2008 году исследовательская группа под руководством Алексея Аксиментьева из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне начала проект по созданию машин для персонального секвенирования генома, которые будут более доступны для больниц. Используя суперкомпьютер Jaguar Национальной лаборатории Ок-Ридж, команда разрабатывает нанопоровый подход, который обещает резкое сокращение времени и стоимости секвенирования ДНК.
Основным препятствием для секвенирования с использованием более ранних поколений биологических и синтетических нанопор была неспособность идентифицировать последовательность ДНК с разрешением до одного нуклеотида. Нуклеотиды проходили через нанопору слишком быстро.
Группа Аксиментьева использует нанопору MspA — модифицированный белок. Его последовательность необходимо изменить, чтобы он сильнее связывался с движущейся цепью ДНК. MspA является идеальной платформой, поскольку ученые могут измерять "заторы" в поре, которые могут замедлить прохождение ДНК. Изменение белка MspA для оптимизации этих "заторов" в лаборатории требует много времени и средств, но просто на компьютере.
Исследователи используют код NAMD, который рассчитывает состояния минимальной энергии атомов в большой биомолекулярной системе. Команда сначала строит модель белка MspA, погруженного в липидный бислой и раствор электролита. Затем цепь ДНК с желаемой последовательностью нуклеотидов пропускается через нанопору MspA. Далее ученые моделируют эффект электрического поля, которое направляет ионы и ДНК через нанопору.
Моделирование использует методы молекулярной динамики для имитации экспериментальной системы. Результаты моделирования можно напрямую сравнивать с экспериментальными, поскольку оба подхода измеряют ионный ток. Зная положение каждого атома ДНК и иона, ученые получают преимущество — они могут оптимизировать нанопоровое секвенирование с помощью рационального дизайна, чтобы создать пору, которая плотнее прилегает к ДНК, замедляя ее движение до скорости, позволяющей достичь разрешения в один нуклеотид.
Исследование получило 10 миллионов процессорных часов на Jaguar через программу INCITE. С этим ресурсом ученые смогли воспроизвести "заторы" в нанопоре MspA для определенных нуклеотидов ДНК, замедлив движение последовательности.
"Мы провели пилотное исследование нескольких вариантов нанопоры MspA и наблюдали значительное снижение скорости движения цепи ДНК. Эти очень предварительные результаты позволяют предположить, что достижение 100-кратного снижения скорости ДНК, которое должно быть достаточным для считывания последовательности с разрешением в один нуклеотид, вполне достижимо. Будущие исследования будут направлены на достижение этой цели", — заявил Аксиментьев.
Команда надеется достичь цели проекта к 2013 году. Способность сделать секвенирование генома доступным позволит реализовать такие программы, как "Проект по изучению генома рака".