Учёные создали универсальный считыватель ДНК для более быстрого и дешёвого секвенирования

Учёные из Университета штата Аризона (ASU) представили новый подход к созданию более быстрого и дешёвого способа чтения генетического кода ДНК. Они разработали первый универсальный считыватель ДНК, способный различать четыре основных химических компонента ДНК — ключ к расшифровке жизненно важного кода наследственности и здоровья человека.

Команда под руководством профессора Стюарта Линдси, директора Центра биофизики одиночных молекул Института Biodesign, получила грант в рамках инициативы Национального исследовательского института генома человека (NHGRI, NIH). Цель — сделать полногеномное секвенирование ДНК таким же распространённым, как обычный медицинский осмотр.

Широкая цель инициативы «$1000 genome» — разработать технологию секвенирования ДНК следующего поколения для эпохи персонализированной медицины. Знание полного генома человека (3 миллиарда пар оснований) позволит более точно диагностировать и лечить заболевания. При использовании текущих технологий (почти год работы и сотни тысяч долларов) полные геномы секвенированы менее чем у 20 человек в мире.

Команда Линдси представила наноразмерный считыватель ДНК, работающий по принципу сканера в супермаркете. Он должен различать четыре химических «буквы» генетического кода (A, G, C, T), когда они быстро проходят мимо «считывающего глаза».

Для этого потребовалось решить задачу, аналогичную продеванию нитки в иголку: «нитью» служит ДНК, которая должна распознаваться при движении мимо «глаза». Прогресс команды:

• В 2008 году впервые продемонстрирована возможность чтения отдельных последовательностей ДНК, но для распознавания каждого основания требовались четыре отдельных считывателя.
• Позже была показана возможность протягивания ДНК через узкое отверстие углеродной нанотрубки.

Для измерений команда использует сканирующий туннельный микроскоп (STM) и атомно-силовой микроскоп (AFM). В новом исследовании учёные создали два электрода:

1. На конце зонда микроскопа.
2. На поверхности.

Концы электродов были химически модифицированы, чтобы притягивать и захватывать ДНК в зазоре, подобно химическому пинцету. Ключевым было найти «золотую середину» для ширины зазора — 2,5 нанометра. Когда одно основание ДНК проходит через этот зазор между золотыми электродами, оно ненадолго связывается с ними, что фиксируется по небольшому увеличению тока.

• Меньший зазор — молекулы связываются в разных конфигурациях, что запутывает показания.
• Больший зазор — меньшие основания не будут детектироваться.

«Мы сузили количество типов конфигураций связывания до одной на каждое основание ДНК. Красота подхода в том, что все четыре основания просто вписываются в зазор 2,5 нм — универсальный размер, но только такой!» — сказал Линдси.

В этом масштабе (несколько атомных диаметров) проявляются квантовые явления: электроны могут туннелировать от одного электрода к другому через основания ДНК. Каждое из четырёх оснований (A, C, T, G) даёт уникальный электрический сигнал при прохождении через зазор.

Методом проб и ошибок учёные обнаружили, что одна химическая модификация обоих электродов позволяет различить все 4 основания ДНК.

«Мы создали универсальный считыватель последовательностей ДНК и первыми сообщили об обнаружении всех 4 оснований ДНК в одном туннельном зазоре. Контрольные эксперименты также показали определённый (невысокий) уровень различия даже с немодифицированными электродами, что тоже впервые», — отметил Линдси.

Следующие шаги команды:

1. Адаптировать считыватель для работы в водных растворах — критически важный практический шаг для секвенирования ДНК.
2. Объединить возможности считывателя с технологией углеродных нанотрубок для чтения коротких участков ДНК.

Если процесс удастся усовершенствовать, секвенирование ДНК можно будет выполнять намного быстрее и дешевле, чем с помощью текущих технологий. Только тогда персонализированная медицина станет доступна массовому потребителю.