Нанопоровая технология быстро расшифровывает длинные цепи ДНК

Новая низкозатратная технология позволяет считывать длинные последовательности ДНК гораздо быстрее, чем существующие методы.

Исследование развивает технологию нанопорового секвенирования ДНК. В будущем она может быть использована для создания портативных устройств, способных быстро идентифицировать последовательности ДНК из образцов тканей и окружающей среды.

"Одна из причин, почему нанопоровое секвенирование ДНК вызывает такой интерес, — возможность создания «трикодероподобных» устройств для быстрого обнаружения патогенов или диагностики генетических нарушений прямо на месте", — говорит ведущий автор Эндрю Ласло.

Статья "Decoding long nanopore sequencing reads of natural DNA" опубликована 25 июня в онлайн-версии журнала Nature Biotechnology.

Как работает технология:

• Используется генетически модифицированная бактериальная пора Mycobacterium smegmatis porin A (MspA). Её самый узкий участок имеет диаметр около нанометра, что достаточно для прохождения одной цепи ДНК.
• Пора встраивается в мембрану, разделяющую два солевых раствора.
• При подаче напряжения ионы соли создают измеримый ток через пору.
• Когда цепь ДНК проходит через пору, нуклеотиды (аденин, гуанин, цитозин, тимин) по-разному блокируют ионный ток, создавая уникальные сигналы.

Проблема и решение:

Ранее было сложно идентифицировать каждый нуклеотид по отдельности, так как сигнал соответствовал комбинации из четырёх нуклеотидов одновременно.

Исследователи из Университета Вашингтона обошли эту проблему:

1. Определили электронные "подписи" для всех 256 возможных комбинаций четырёх нуклеотидов (4 x 4 x 4 x 4).
2. Создали компьютерные алгоритмы для сопоставления сигналов от проходящей ДНК с последовательностями известных генов и геномов из базы данных.

Результаты:

• Метод успешно прочитал последовательность ДНК бактериофага Phi X 174 — стандартного тестового вируса.
• Технология надежно считывает последовательности длиной до 4500 нуклеотидов.
• Весь процесс занимает от минут до нескольких часов вместо недель.

"Это первый случай, когда было показано, что нанопоры могут генерировать интерпретируемые сигналы, соответствующие очень длинным последовательностям ДНК из реальных геномов. Это большой шаг вперед", — отметил соавтор Джей Шендур.

Ограничения и перспективы:

Пока метод не может секвенировать совершенно новые, неизвестные гены или геномы, так как полагается на сравнение с существующими базами данных. Однако дальнейшие усовершенствования должны решить эту задачу. Для ускорения прогресса учёные делают свои методы, данные и алгоритмы полностью открытыми.