Новый метод ускоряет и удешевляет секвенирование ДНК

Биомедицинские инженеры из Бостонского университета разработали метод, который может сделать будущее секвенирование генома быстрее и дешевле. Ключевое достижение — резкое сокращение количества ДНК, необходимого для анализа, что позволяет отказаться от дорогой, трудоемкой и подверженной ошибкам стадии амплификации ДНК.

В исследовании, опубликованном 20 декабря в онлайн-издании Nature Nanotechnology, команда под руководством доцента Амита Меллера описала новаторскую работу по детекции молекул ДНК при их прохождении через кремниевые нанопоры шириной 4 нанометра. Метод использует электрические поля для протягивания длинных цепочек ДНК через поры, подобно заправке нитки в иголку. Последовательность ДНК определяется с помощью чувствительных измерений электрического тока при прохождении молекулы через пору.

"Наше исследование показывает, что мы можем детектировать гораздо меньшее количество образца ДНК, чем сообщалось ранее", — сказал Меллер. — "При внедрении секвенирования или профилирования генома с помощью нанопор можно использовать наш подход для значительного сокращения числа копий, необходимых для измерений".

Проблема амплификации и новое решение

В настоящее время секвенирование генома требует амплификации ДНК для создания миллиардов молекулярных копий, достаточных для анализа. Помимо затрат времени и средств, этот процесс может приводить к ошибкам — как при копировании копий.

Меллер и его коллеги из Бостонского университета, Нью-Йоркского университета и Университета Бар-Илан (Израиль) использовали электрические поля вокруг устьев нанопор. Эти поля притягивают длинные отрицательно заряженные цепи ДНК и направляют их через пору для детекции. Поскольку ДНК притягивается к порам с расстояния, требуется гораздо меньше копий молекулы.

Неожиданное открытие и его оптимизация

Перед созданием метода команде пришлось изучить электрофизику в наномасштабе, где законы макромира не всегда применимы. Они сделали контринтуитивное открытие: чем длиннее цепь ДНК, тем быстрее она находит отверстие поры.

"Это действительно удивительно, — отметил Меллер. — Можно было ожидать, что более длинной 'спагетти' найти конец будет гораздо труднее. Это открытие означает, что система нанопор оптимизирована для детекции длинных цепей ДНК — десятков тысяч пар оснований или даже больше. Это может резко ускорить будущее секвенирование генома, позволяя анализировать длинную цепь ДНК за один проход, а не собирать результаты из множества коротких фрагментов".

Используя это знание, команда оптимизировала эффект. Они применили градиенты соли для изменения электрического поля вокруг пор, что:

• Увеличило скорость захвата молекул ДНК.
• Сократило время между захватами молекул.
• Уменьшило количество ДНК, необходимое для точных измерений.

Молекулы ДНК стали не "плавать" в поисках поры, а направляться в отверстия.

Результат

Благодаря увеличению скорости захвата на несколько порядков и уменьшению объема камеры с образцом, исследователям удалось сократить количество необходимых молекул ДНК в 10 000 раз — примерно с 1 миллиарда до 100 000 образцовых молекул.

"Технологии амплификации ДНК ограничивают длину молекулы тысячью парами оснований, — добавил Меллер. — Поскольку наш метод избегает амплификации, он не только снижает стоимость, время и уровень ошибок техник репликации ДНК, но и позволяет анализировать очень длинные цепи ДНК, гораздо длиннее текущих ограничений".