Биофизики ускорили изучение поведения ДНК с десятилетий до дней

Исследование поведения отдельных молекул ДНК помогает лучше понять генетические нарушения и разрабатывать более эффективные лекарства. Однако до сих пор такой анализ был крайне медленным.

Биофизики из Делфтского технического университета и Лейденского университета разработали технику, которая ускоряет скрининг отдельных молекул ДНК как минимум в тысячу раз. С её помощью можно измерить миллионы молекул ДНК за неделю вместо многих лет или даже десятилетий. Исследование опубликовано в Science.

«ДНК, РНК и белки — ключевые игроки, регулирующие все процессы в клетках нашего тела, — объясняет профессор Лейденского университета Джон ван Ноорт. — Чтобы понять (не)исправность этих молекул, необходимо раскрыть, как их 3D-структура зависит от их последовательности, а для этого нужно измерять их по одной молекуле. Однако измерения на уровне одной молекулы трудоёмки и медленны, а количество возможных вариаций последовательностей огромно».

Теперь команда учёных разработала инновационный инструмент SPARXS (Single-molecule Parallel Analysis for Rapid eXploration of Sequence space), который позволяет изучать миллионы молекул ДНК одновременно.

«Традиционные техники, позволяющие исследовать одну последовательность за раз, обычно требуют часов измерения на каждую последовательность. С помощью SPARXS мы можем измерить миллионы молекул за день или неделю. Без SPARXS такое измерение заняло бы от нескольких лет до десятилетий», — говорит профессор Делфтского университета Чирлмин Джу.

«SPARXS позволяет нам изучать большие библиотеки последовательностей, давая новое понимание того, как структура и функция ДНК зависят от последовательности. Кроме того, эту технику можно использовать для быстрого поиска наилучшей последовательности для применений — от нанотехнологий до персонализированной медицины», — добавляет аспирантка Каролин Бастианссен.

Комбинация двух технологий

Для создания SPARXS исследователи объединили две ранее не сочетавшиеся технологии: флуоресценцию одиночных молекул и секвенирование нового поколения Illumina.

В первом методе молекулы метятся флуоресцентным красителем и визуализируются с помощью чувствительного микроскопа. Второй метод одновременно считывает миллионы кодов ДНК.

«Потребовался год, чтобы определить, возможна ли такая комбинация, ещё четыре года — чтобы разработать рабочий метод, и два дополнительных года — чтобы обеспечить точность и воспроизводимость измерений при обработке огромного объёма генерируемых данных», — говорит Джу.

«Настоящее интересное началось, когда нам потребовалось интерпретировать данные, — говорит первый автор статьи Иво Северинс. — Поскольку такие эксперименты, сочетающие измерения одиночных молекул с секвенированием, совершенно новы, мы не знали, какие результаты получим. Потребовалось много поиска в данных, чтобы найти корреляции и закономерности, и определить механизмы, лежащие в основе наблюдаемых нами паттернов».

Преодоление проблем обработки данных

Ещё одной задачей была обработка большого объёма данных. «Нам пришлось разработать автоматизированный и надёжный конвейер анализа. Это было особенно сложно, поскольку одиночные молекулы хрупки и дают лишь крошечное количество света, что делает данные по своей природе зашумлёнными», — добавляет ван Ноорт.

«Более того, полученные данные напрямую не дают понимания того, как последовательность влияет на структуру и динамику ДНК, даже для относительно простых структур ДНК, которые мы изучали. Чтобы действительно проверить наше понимание, мы создали модель, включающую наши знания о структуре ДНК, и сравнили её с экспериментальными данными».

Более точное манипулирование и понимание последовательностей ДНК, вероятно, приведёт к прогрессу в медицинских методах лечения, таких как более эффективная генная терапия и персонализированная медицина. Исследователи также предвидят биотехнологические инновации и в целом лучшее понимание биологии на молекулярном уровне.

Джу заключает: «Мы ожидаем, что применения в генетических исследованиях, разработке лекарств и биотехнологии начнут появляться в ближайшие 5–10 лет».