Инженеры разрабатывают недорогой метод секвенирования ДНК

Быстрое и точное генетическое секвенирование вскоре может стать доступным в каждом кабинете врача благодаря совместным исследованиям Национального института стандартов и технологий (NIST) и Школы инженерии и прикладных наук Колумбийского университета. Команда продемонстрировала потенциально недорогой и надежный способ получения полной последовательности ДНК любого человека с помощью своего рода молекулярного "считывателя ленты", что может позволить легко обнаруживать маркеры заболеваний в ДНК пациента.

Хотя секвенирование генома вида животных впервые стало обычным делом, менее известно, что секвенирование ДНК отдельного человека остается дорогостоящим процессом, стоящим многие тысячи долларов по современным технологиям. Геном человека содержит маркеры, которые могут предупредить о риске заболеваний, но для их использования нужен быстрый, надежный и экономичный способ секвенирования генов каждого пациента. Также важно постоянно секвенировать ДНК человека на протяжении жизни, поскольку генетический код может изменяться под влиянием многих факторов.

Новый метод определяет последовательность ДНК, присоединяя различные молекулярные "метки" к каждому из четырех химических строительных блоков, или "оснований", составляющих генетическую информацию в цепи ДНК — A, G, C и T. Каждая из этих полимерных меток затем может быть отрезана от цепи и по одной пропущена через нанометровое отверстие в мембране. Через эту "нанопору", достаточно большую для размещения только одной метки за раз, протекает постоянный поток жидкости и ионов. Поскольку полимерные метки имеют разный размер, изменение электрического тока, вызванное изменением потока жидкости, показывает, какое из четырех оснований находится в каждой точке цепи ДНК.

Нанопоры и их взаимодействие с полимерными молекулами были давним направлением исследований ученого NIST Джона Касяновича. Его группа сотрудничала с командой под руководством Цзиньюэ Цзю, директора Центра геномных технологий и биомолекулярной инженерии Колумбийского университета, которая предложила идею мечения строительных блоков ДНК для секвенирования одной молекулы с помощью нанопорового детектирования. Возможность различать полимерные метки была продемонстрирована Касяновичем, его коллегой из NIST Джозефом Робертсоном и другими. Колумбийский университет подал заявки на патенты для коммерциализации технологии.

Касянович оценивает, что метод может идентифицировать строительный блок ДНК с чрезвычайно высокой точностью при уровне ошибок менее одной на 500 миллионов, а необходимое оборудование будет по карману любому медицинскому учреждению. "Сердцем секвенатора станет операционный усилитель, который будет стоить гораздо меньше 1000 долларов при разовой покупке, — говорит он, — а стоимость материалов и программного обеспечения должна быть незначительной".

Касянович добавляет, что частная компания может создать большой массив нанопор, способный анализировать геном одного человека, разрезанный на множество коротких цепей ДНК, каждую из которых можно быстро секвенировать. Такой массив потенциально может обеспечить недорогое секвенирование, необходимое для рутинного медицинского использования.