Быстрое секвенирование ДНК: на пороге персонализированной медицины
В журнале Science опубликован обзор последних достижений в технологии секвенирования ДНК, которая скоро может стать рутинной частью медицинской карты каждого человека.
Прорыв в нанопоровом секвенировании
Стюарт Линдсей из Центра биophysics одиночных молекул Института Biodesign добился ключевого прогресса в решении основной проблемы нанопорового секвенирования — чтения отдельных нуклеотидных оснований в цепи ДНК. Его результаты опубликованы в журнале Nanotechnology.
Цель: геном за $1000
Как только точное секвенирование опустится ниже порога в $1000 за геном, технология станет повсеместной. Скорость и стоимость полного секвенирования генома уже опережают знаменитый Закон Мура (удвоение вычислительной мощности каждые 18 месяцев).
Технология нанопор
Метод предполагает протягивание одной цепи ДНК через молекулярное "ушко" — нанопору. Это позволит прочитать всю последовательность ДНК за один раз, а не собирать её из фрагментов. Компания Oxford Nanopore Technologies заявляет о возможности секвенировать 6 миллиардов нуклеотидных оснований за 6 часов стоимостью $900.
Принцип работы
При погружении нанопоры в проводящую жидкость и приложении напряжения возникает измеримый ионный ток. Каждое основание ДНК, проходя через пору, изменяет этот ток характерным образом. Первоначально использовали белки (например, α-гемолизин), сейчас исследуют твердотельные нанопоры из кремния или графена.
Проблема и решение Линдсей
Основания проходят через пору слишком быстро. Команда Линдсей использует метод Recognition Tunneling (туннелирование с распознаванием). Он основан на измерении туннельного тока в цепи, где нуклеотид ДНК задерживается между двумя функционализированными золотыми электродами, охватывающими нанопору.
Ключевые достижения:
- Каждое из 4 оснований (A, T, C, G) даёт уникальный сигнал туннельного тока.
- Временное задержание основания позволяет точно его идентифицировать.
- Использование машинного обучения позволило компьютеру распознавать основания с точностью >90%.
- Метод также идентифицирует эпигенетические модификации, например, метилирование ("пятое основание"), с точностью 96% на уровне одной молекулы.
Значение и перспективы
Это крупный прорыв, так как эпигенетические изменения имеют profound implications для изучения здоровья, развития и рака. Технология уже лицензирована Roche Pharmaceuticals. Гонка за быстрое секвенирование вступает в финальную стадию, открывая эру персонализированной медицины и новых insights в геномные основы болезней.