Моделирование быстрого и точного секвенирования ДНК через графеновую нанопору

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) смоделировали новый метод быстрого и точного секвенирования генов. Он основан на протягивании молекулы ДНК через крошечное химически активированное отверстие в графене — ультратонком листе атомов углерода — и регистрации изменений электрического тока.

Моделирование NIST показывает, что метод может идентифицировать около 66 миллиардов оснований (наименьших единиц генетической информации) в секунду с точностью 90% и без ложноположительных срабатываний. Если метод будет подтверждён экспериментально, он может оказаться быстрее и дешевле классического секвенирования ДНК, что критически важно для таких областей, как криминалистика.

Новое предложение NIST — это развитие идеи «нанопорового секвенирования», при котором ДНК протягивают через отверстие в материале. В отличие от более ранних подходов, основанных на прохождении электрически заряженных ионов через пору, новый метод использует временные химические связи и способность графена преобразовывать механические деформации от разрыва этих связей в измеримые изменения тока.

«По сути, это крошечный датчик деформации. Мы не изобрели готовую технологию. Мы описали новый физический принцип, который потенциально может быть намного лучше всего существующего», — говорит теоретик NIST Алекс Смоляницкий, автор идеи и руководитель проекта.

В моделировании графеновая нанолента (4.5 × 15.5 нм) имеет несколько копий основания, прикреплённых к нанопоре (шириной 2.5 нм). Генетический код ДНК построен из четырёх типов оснований, которые образуют пары: цитозин-гуанин и тимин-аденин.

В симуляциях при комнатной температуре в воде к нанопоре был прикреплён цитозин для детекции гуанина. Одноцепочечная молекула ДНК протягивалась через пору. Когда мимо проходил гуанин, с цитозином образовывались водородные связи. При дальнейшем движении ДНК графен деформировался, а затем возвращался в исходное положение после разрыва связей.

Исследование показало, что временные изменения электрического тока действительно указывают на прохождение целевого основания. Для детекции всех четырёх оснований четыре графеновые ленты, каждая со своим основанием в поре, можно расположить вертикально, создав интегрированный ДНК-сенсор.

Сила сигнала находилась в диапазоне миллиампер, что сильнее, чем в ранних ионно-токовых методах. На основе точности в 90% без ложноположительных результатов (ошибки были связаны с пропущенными, а не неверно определёнными основаниями) учёные предполагают, что четыре независимых измерения одной цепи ДНК дадут точность 99.99%, необходимую для секвенирования человеческого генома.

Авторы заключили, что предложенный метод демонстрирует «значительные перспективы для создания практичных устройств детекции ДНК» без необходимости сложной обработки данных, микроскопов или жёстких условий эксплуатации. Кроме прикрепления оснований к нанопоре, все компоненты сенсора уже были продемонстрированы экспериментально другими группами. Теоретический анализ показывает, что базовые методы электронной фильтрации могут выделить полезный сигнал. Метод также может быть использован с другими чувствительными к деформации мембранами, например, из дисульфида молибдена.