Углеродные нанотрубки перспективны для высокоскоростного секвенирования генома

Более быстрое секвенирование ДНК имеет огромный потенциал для биологии и медицины, особенно для персонализированной диагностики и лечения на основе генома каждого человека. Однако текущие технологии остаются громоздкими и дорогими для большинства клинических применений. Ситуацию могут изменить новые инновационные методы.

В новом выпуске журнала Science группа под руководством Стюарта Линдсея из Центра биофизики единичной молекулы Университета Аризоны продемонстрировала потенциал метода, при котором одноцепочечная молекула ДНК проходит через углеродную нанотрубку. Это вызывает скачки напряжения, несущие информацию о нуклеотидных основаниях ДНК в процессе их транслокации.

Углеродные нанотрубки — это универсальные цилиндрические структуры, применяемые в нанотехнологиях, электронике и материаловедении. Они состоят из аллотропных форм углерода и обладают уникальной прочностью и электропроводностью.

Традиционные методы чтения генетического кода, состоящего из четырех оснований — аденина (A), тимина (T), цитозина (C) и гуанина (G), — обычно требуют фрагментирования ДНК, чтения этих фрагментов и последующей сборки полной последовательности с помощью мощных компьютеров. Эти методы трудоемки, а их точность снижается из-за накопления ошибок.

Новая стратегия использует нанопоры — отверстия молекулярного диаметра. При подаче напряжения возникает ионный ток через канал поры. Прохождение даже одной молекулы ДНК вызывает обнаруживаемое изменение этого тока.

В данном исследовании в качестве проводящих каналов использовались однослойные углеродные нанотрубки диаметром 1–2 нм. Под действием тока одноцепочечные олигонуклеотиды ДНК (длиной 60 или 120 нуклеотидов) втягивались в нанотрубку и транслоцировались с анодной стороны на катодную. Скорость транслокации зависит от структуры нуклеотидов и молекулярной массы ДНК.

Результаты показали, что в успешно сформированных нанотрубках (полностью открытых и без утечек) во время транслокации ДНК регистрируется резкий скачок электрической активности. Обращение полярности электродов заставляло скачки исчезать, а восстановление исходной полярности — появляться вновь.

Кратковременные импульсы тока содержали примерно 10⁷ зарядов, что представляет собой огромное усиление транслоцированного заряда. Метод количественной ПЦР (qPCR) подтвердил, что аномально резкие скачки тока (наблюдались примерно в 20% нанотрубок) действительно соответствовали случаям транслокации ДНК.

Молекулярное моделирование и наблюдение за вольт-амперными характеристиками при разных ионных концентрациях показали, что движение ионов через некоторые трубки очень необычно. Точный механизм генерации скачков тока требует дальнейшего изучения. Однако характерный электрический сигнал в трубках с высокой ионной проводимостью может стать ключом к применению нанопор для быстрого секвенирования ДНК.

Критически важным для успеха является точный контроль скорости транслокации ДНК. Углеродные нанотрубки — привлекательная альтернатива, так как позволяют легче и надежнее контролировать характеристики нанопоры.

Если метод удастся усовершенствовать, секвенирование ДНК можно будет проводить в тысячи раз быстрее существующих методов и за малую часть стоимости. Это позволит реализовать цель персонализированной медицины «один пациент — один геном», обеспечив важную диагностическую информацию и индивидуальное лечение для широкого спектра заболеваний.