Учёные приблизили создание сверхбыстрой и дешёвой технологии секвенирования ДНК
Учёные из Института Biodesign Университета штата Аризона и Исследовательского центра Т. Дж. Уотсона IBM разработали прототип устройства для чтения ДНК, которое может сделать полное профилирование генома повседневной медицинской практикой.
Цель — создать дешёвые, простые и мощные диагностические устройства для анализа ДНК и белков для каждого врачебного кабинета. Такая технология приблизит эру персонализированной медицины, где информация о полном профиле ДНК и белков человека будет использоваться для разработки индивидуального лечения.
Ключевое требование для внедрения секвенирования генома — снизить его стоимость до менее чем $1000, чтобы страховые компании могли его покрывать.
В ходе последнего исследования команда создала крошечное устройство для чтения ДНК, в тысячи раз меньше ширины человеческого волоса. Оно достаточно чувствительно, чтобы различать отдельные химические основания ДНК (A, C, T, G), когда они проходят мимо считывающей головки.
Доказательство концепции продемонстрировано на растворах отдельных оснований ДНК. Устройство давало чёткие сигналы, достаточные для обнаружения ничтожных количеств ДНК (наномолярные концентрации), даже лучше, чем современные технологии секвенирования нового поколения.
Устройство изготовлено по принципу «сэндвича» с использованием высокотехнологичных полупроводниковых инструментов для нарезки и укладки атомарно тонких слоёв.
Как устроено устройство:
- Создан «сэндвич» из двух металлических электродов, разделённых изолирующим слоем толщиной 2 нанометра (в 10 000 раз тоньше человеческого волоса), созданным методом атомно-слоевого осаждения.
- В «сэндвиче» просверлено отверстие (нанопора). Основания ДНК считываются, когда проходят через зазор между металлическими слоями.
Новаторство подхода — в использовании тонкого слоя диэлектрика для определения зазора и создания отверстия в слоях. Это позволяет использовать относительно большой зазор (2 нм) по сравнению с менее чем нанометровыми зазорами, требовавшимися ранее для туннельного считывания. Больший зазор упрощает изготовление и даёт молекуле ДНК пространство для прохождения.
При пропускании тока через нанопору прохождение ДНК вызывает всплеск тока, уникальный для каждого химического основания (A, C, T, G) в молекуле.
Текущие задачи и перспективы:
- Устройства пока демонстрируют заметные различия в работе, поэтому необходима калибровка для повышения надёжности технологии.
- Ключевой следующий шаг — уменьшение диаметра отверстия в устройстве до размера одной молекулы ДНК.
- Разработан масштабируемый производственный процесс, позволяющий создавать устройства, стабильно работающие часами и идентифицирующие каждое основание ДНК.
- Технику модифицируют для считывания других одиночных молекул, что может быть применено в разработке лекарств.
Исследование финансировалось Национальным институтом исследования генома человека NIH и компанией Roche и опубликовано в журнале ACS Nano.