Снижение стоимости секвенирования ДНК приближает переход к предиктивной персонализированной медицине

Группа ученых под руководством физиков из Вашингтонского университета (University of Washington) разработала метод быстрого и относительно недорогого секвенирования ДНК, имеющий широчайшие перспективы для применения в здравоохранении. Он может открыть двери для более эффективной персонализированной медицины, позволяя, например, получать данные о предрасположенности к определенным состояниям и заболеваниям, таким как рак, диабет или наркомания.

Изображение одноцепочечной ДНК, проходящей через нанопору, используемую для ее секвенирования. (Credit: Image courtesy of University of Washington)

«Надеюсь, что через 10 лет люди получат возможность провести секвенирование своей ДНК, что приведет к персонализированной, предсказательной медицине», - говорит Йенс Гундлах (Jens Gundlach), профессор кафедры физики Вашингтонского университета и ведущий автор описывающей новый метод статьи, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ученые создали считывающее устройство для последовательностей ДНК, сочетающее в себе биологию и нанотехнологии, использовав нанопоры микобактерии Mycobacterium smegmatis porin A. Такая нанопора имеет отверстие в одну миллиардную долю метра, то есть как раз такого размера, который необходим для измерения проходящей через нее одноцепочечной молекулы ДНК.

Ученые поместили пору в мембрану, окруженную раствором хлорида калия. Для создания текущего через нанопору потока ионов прикладывается небольшое напряжение. Сигнатура электрического тока изменяется в зависимости от нуклеотида, проходящего через нанопору. Каждый из нуклеотидов, составляющих ДНК - цитозин, гуанин, аденин и тимин – генерирует особую сигнатуру.

Диаграмма показывает электрические сигнатуры составляющих ДНК нуклеотидов – гуанина, тимина, цитозина и аденина – при их прохождении через нанопору. (Рисунок: сайт uwnews.org)

Ученые должны были решить две основные проблемы. Одна заключалась в том, чтобы создать короткое и узкое отверстие, достаточное тем нее менее для того, чтобы через него могла пройти одноцепочечная ДНК. При этом в любой момент времени в такой нанопоре могла бы находиться только одна из молекул ДНК. Чтобы создать удовлетворяющую этим условиям пору Михаэль Нидервайз (Michael Niederweis) из Университета Алабамы (University of Alabama) в Бирмингеме модифицировал микобактерию M. Smegmatis.

Второй проблемой было то, что каждую миллионную долю секунды через нанопору проходит по одному нуклеотиду, а это слишком быстро, чтобы выделить сигнал от каждой такой молекулы, составляющей ДНК. Чтобы устранить это препятствие ученые добавили между нуклеотидами, которые нужно считать, фрагменты двухцепочечной ДНК. Вторая цепочка на короткое время цепляется за край нанопоры, останавливая прохождение ДНК как раз настолько, чтобы считывающее устройство успело измерить отдельный нуклеотид. Через несколько миллисекунд двухцепочечный фрагмент отделяется, и продвижение ДНК возобновляется до тех пор, пока не встретится следующий двухцепочечный фрагмент, позволяющий считать следующий нуклеотид.

«Задержка, хотя и измеряемая тысячными долями секунды, достаточна для считывания электрических сигналов с намеченных нуклеотидов», - говорит Гундлах. «Практически мы может читать ДНК-последовательности с помощью осциллографа».

Работа финансировалась Национальным институтом здравоохранения (National Institutes of Health) и его Национальным научно-исследовательским институтом генома человека (National Human Genome Research Institute) в рамках программы создания технологии, позволяющей снизить стоимость секвенирования генома человека до 1000, а возможно и ниже, долларов. Данное исследование - главный шаг в направлении достижения этой цифры.

Программа началась в 2004 году, когда секвенирование генома размером с геном человека стоило порядка 10 миллионов долларов.

По материалам

Nanoscale DNA sequencing could spur revolution in personal health care

Аннотация к статье:

Single-nucleotide discrimination in immobilized DNA oligonucleotides with a biological nanopore