Главная Архив сайта Карта сайта Соглашение О проекте Обратная связь

Учёные смогли добиться быстрого секвенирования ДНК

DNA-Analyse / DNA-Test

Быстрое секвенирование ДНК вскоре может стать частью повседневной медицинской карты каждого человека. Данная карточка будет содержать огромную информацию, которая прячется в человеческом геноме, состоящем из 3 миллиардов пар нуклеотидов, сообщает «labscience.ru».

Журнал «Science» описывает последние достижения в технологии секвенирования.

Стюарт Линдсей, директор «Biodesign Institute’s Center for Single Molecule Biophysics» успешно справился с главным камнем преткновения — чтение одиночных нуклеотидов в цепи ДНК. Его последние экспериментальные результаты, которые демонстрируют существенные улучшения в чтении ДНК, только что появилась в журнале «Nanotechnology».

По мнению многих учёных эта технология должна обрести невероятную популярность. В текущем номере журнала «Science» говориться, что настанет тот день, когда скорость и стоимость секвенирования генома пойдёт семимильными шагами, опережающими знаменитый закон Мура (который диктует удвоение вычислительной мощности, каждые 18 месяцев).

Новейшее технологическое соревнование включает в себя идею пронизывания одной нити ДНК через крошечные, молекулярного масштаба ушки, известные, как нанопоры. Эта стратегия вскоре позволит всей последовательности ДНК быть прочитанной сразу, вместо того, чтобы разделять, расшифровывать краткие фрагменты и кропотливо собирать обратно.

В соответствии с «Human Genome Project», первая последовательность генома человека была взята исследователями за 13 лет и обошлась в $ 3 миллиарда, вскоре этот подвиг может быть побит ослепительной скоростью в 6 миллиардов нуклеотидов, каждые 6 часов по цене $ 900. По крайней мере, это экстравагантное заявление, сделанное «Oxford Nanopore Technologies» — одна из первых компаний, которая занимается новыми разработками последовательности ДНК.

Идея секвенирования с помощью нанопор впервые была придумана в середине 1990-х годов, после чего были достигнуты огромные успехи в этой области. Основная идея заключается в том, что когда нанопоры погружаются в проводящую электричество жидкость, проходимые через нанопоры ионы начинают производить измеряемый электрический ток. Этот ток очень чувствителен к размеру и форме нанопор и в теории, каждый нуклеотид в нити ДНК будет препятствовать перемещаться нанопоре, изменяя ионный поток распознаваемым и воспроизводимым способом.

Нить ДНК, является сложным материалом. Она невероятно тонкая — 5000 нитей ДНК составляют толщину человеческого волоса. Поиск подходящего отверстия при таких масштабах оказался существенной проблемой. Сначала, учёные исследовали трансмембранные белки. Затем они остановились на Альфа-гемолизине, который вызывает лизис эритроцитов. Он показался особенно перспективным, учитывая диаметр нанопор необходимых для секвенирования ДНК.

Затем были исследованы «твердотельные» нанопоры кремния и графена. Они очень просты в изготовлении и их свойствами очень легко управлять (контролировать).

Постоянной проблемой в последовательности отдельных оснований является то, что они имеют тенденцию слишком быстро протекать через нанопоры, в результате этого очень сложно определять каждое основание отдельно. Вместо этого, измеряемый поток в ранних экспериментах отражает среднее число, произведённое группой оснований, протекающих через туннель.

Техника Линдсей полагается на чтение электрического тока в крошечной цепи, состоящей из нуклеотидов ДНК, пойманных и зажатых в ловушке между двумя золотыми электродами, которые охватывают нанопоры. Электроды сделаны функционализационной иглой сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), с молекулами, которые могут связывать отдельные основания ДНК, как только они проходят через нанопоры.

Последовательный метод основан на снабжении одного из двух электродов химическими веществами, другого нуклеотидами. Сигнал произведён, когда происходит соединение между двумя типами электродов, после чего замыкается цепь.

Это тот тип соединения, в котором между электродами промежуток достигает молекулярного уровня, а электроны могут проявлять странное поведение — «туннелирование» через барьеры при условиях, запрещённых классической физикой. В таком случае, каждый из 4 нуклеотидов должен оставлять след туннельного тока, который может быть использован для последовательности оснований ДНК, поскольку он проходит через нанопоры. Ловушки, дают время для точной идентификации, хотя сама нить ДНК продолжает передвигаться через нанопоры.

Замена ионного тока на туннельный может значительно улучшить последовательное разрешение и в своей последней работе, группа Линдсей демонстрирует, что анализ многопараметрический выбросов тока, произведённых туннелированием, действительно может идентифицировать каждое основание ДНК, поскольку они временно прикреплены образованием водородной связи между функциональными электродами.

В дополнение к определению идентичности нуклеотида, с более чем 90-процентной точностью, данный метод также позволяет модифицировать молекулы ДНК — метилирование. Это значительное улучшение для секвенирования, так как такие эпигенетические изменения в геноме, имеют серьёзные последствия в изучении болезней человека, включая эмбриональное и послеродовое развитие и рак.

В статье «Nanotechnology» описывается новый подход к анализу туннельного сигнала. Группа Линдсей использовала машинное обучение для распознавания компьютером оснований ДНК. Машина назвала все четыре основания (A, T, C и G), а также «пятое основание», — метил, который несёт в себе эпигенетические код с 96% точностью на единственной прочитанной молекуле.

«С помощью ионного тока и нанопор «Oxford Nanopore Technologies» совершила огромный прорыв в секвенировании», — говорит Линдсей. «Но мы думаем, что можем добиться большего успеха благодаря сверхчувствительности и туннелированию».

Совсем недавно «Roche Pharmaceuticals» лицензировала данную технологию.

Высокие ставки и гонки, касающиеся быстрого секвенирования выходят на финишную прямую, хотя не исключено, что могут быть и новые сюрпризы на финишной прямой.

Опубликовано: 16.06.2012 в 20:04

Добавить комментарий