Ученые совершили прорыв в электронном секвенировании ДНК на уровне одной молекулы

Исследователи из Колумбийского университета совместно с коллегами из Genia Technologies (Roche), Гарвардского университета и Национального института стандартов и технологий (NIST) сообщили о достижении реального времени электронного секвенирования ДНК на уровне одной молекулы с разрешением в один нуклеотид с использованием массива белковых нанопор.

Секвенирование ДНК — ключевая технология для персонализированной и прецизионной медицины. Однако стоимость и скорость получения высокоточных последовательностей остаются проблемой. Современные высокопроизводительные секвенаторы используют оптические методы для детекции четырех оснований ДНК: A, C, G и T. Нанопоровое секвенирование, при котором одиночная цепь ДНК проходит через нанопору под напряжением, генерируя электронные сигналы, было разработано недавно. Однако четыре нуклеотида химически очень похожи, что затрудняет их различение этим методом.

Междисциплинарная команда под руководством Цзиньюэ Цзю (Колумбийский университет), Джорджа Чёрча (Гарвард), Стефана Рёвера (Genia) и Джона Касяновича (NIST) разработала полную систему для электронного секвенирования ДНК в нанопорах на уровне одной молекулы. Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Ранее та же группа сообщала об общем принципе секвенирования путем синтеза (SBS) в нанопоре и создании нуклеотидов с полимерными метками. В текущем исследовании описан полный рабочий нанопоровый SBS-система.

Принцип метода:

  1. Созданы четыре типа нуклеотидов с уникальными полимерными метками, присоединенными к 5'-фосфату.
  2. Эти нуклеотиды являются активными субстратами для ДНК-полимеразы.
  3. Полимераза, связанная с нанопорой (белок α-гемолизин), встраивает меченые нуклеотиды в растущую цепь ДНК, комплементарную матрице.
  4. При каждом включении соответствующая полимерная метка захватывается в поре, вызывая уникальный уровень блокировки ионного тока.
  5. Массив нанопор на электронном чипе позволяет детектировать сигналы от множества молекул параллельно и в реальном времени.

Как отмечает Карл Фуллер, ведущий автор: «Четыре различные полимерные метки дают отчетливо различимые сигналы, в отличие от небольших различий между самими нативными нуклеотидами ДНК. Это преодолевает главную проблему других методов прямого нанопорового секвенирования».

По словам Цзиньюэ Цзю, работа вышла за рамки того, что описано в PNAS: производительность системы улучшена, а длина прочтения достигла более 1000 пар оснований. Дальнейшая оптимизация меток, полимеразы и электроники направлена на быстрое и недорогое секвенирование всего генома человека для использования в рутинной медицинской диагностике.