Новый метод чтения последовательности ДНК

Исследователи продемонстрировали технику, которая может привести к быстрому и недорогому чтению целых геномов. Метод основан на фундаментальном свойстве материи — квантовом туннелировании, которое работает на субатомном масштабе.

Как это работает

• Техника распознает основные химические единицы — нуклеотидные основания (A, T, C, G), составляющие двойную спираль ДНК.
• Туннелирование позволяет считывать одно основание внутри цепи ДНК за раз, без помех от соседних оснований.
• Каждое основание генерирует уникальный электронный сигнал (всплески тока определенной величины и частоты).
• Метод даже распознает небольшие химические изменения, которые природа иногда использует для тонкой настройки экспрессии генов — так называемый эпигенетический код.

Преодоление проблем

Чувствительность туннелирования к расстоянию означает, что вибрации ДНК или молекулы воды могут разрушить сигнал. Группа разработала «молекулы распознавания», которые «захватывают» каждое основание по очереди, прижимая его к электродам, считывающим сигнал. Этот новый метод назван «распознающим туннелированием» (recognition tunneling).

Чтение длинных последовательностей

Для чтения более длинных фрагментов ДНК группа работает над сопряжением туннельного считывания с нанопорой. Это крошечное отверстие, через которое ДНК протягивается по одному основанию за раз с помощью электрического поля.

• Ранее считалось, что ДНК пролетает через нанопору слишком быстро для считывания последовательности.
• Однако туннельные сигналы, описанные в исследовании, длятся необычно долго — почти секунду на одно основание.
• Эксперименты с атомно-силовым микроскопом подтвердили долгое время жизни комплекса «основание ДНК + молекула распознавания» и показали, что время считывания можно ускорить, приложив небольшую дополнительную силу.

Значение и перспективы

• Прямое считывание эпигенетического кода — ключ к пониманию, почему клетки разных тканей различны, несмотря на одинаковый геном.
• Метод может привести к значительному снижению стоимости секвенирования по сравнению с существующими методами, которые требуют фрагментации ДНК и сложной сборки с помощью мощных компьютеров.
• «Базовая физика теперь продемонстрирована», — говорит руководитель исследования Стюарт Линдси. — «Возможно, вскоре эти принципы можно будет внедрить в серийно производимые компьютерные чипы». День «генома на ноутбуке» может наступить раньше, чем считалось возможным.

Ограничения и дальнейшая работа

Пока метод может точно прочитать только два или три основания подряд, и некоторые основания идентифицируются точнее других. Ожидается, что точность улучшится с синтезом новых поколений молекул распознавания. До клинического применения техники секвенирования путем распознавания предстоит еще много работы.