Секвенирование ДНК с помощью туннельного микроскопа выявляет эпигенетические модификации генома

Новый метод чтения кода ДНК основан на фундаментальном свойстве материи, известном как квантовое туннелирование, проявляющемся на субатомном уровне. Статья, опубликованная в Nature Nanotechnology, демонстрирует, что отдельные основания цепочки ДНК можно читать, используя туннелирование, без помех со стороны соседних оснований, указывая путь к более дешевому и быстрому ДНК-секвенированию.

Спиральная «лестница» молекулы ДНК – архитектурное выражение плана жизни – содержит целую вселенную информации, важную для здоровья человека. На расшифровку генетического кода, включая самый известный проект - Human Genome Project – уже затрачены огромные усилия. Тем не менее, процесс прочтения около 3 миллиардов оснований – «букв» генетического кода – для определения полного генома человека остается дорогостоящим и сложным делом.

Биофизик Стюарт Линдси (Stuart Lindsay), директор Центра биофизики молекулы (Center for Single Molecule Biophysics) Института биодизайна (Biodesign Institute) Государственного университета штата Аризона (Arizona State University), продемонстрировал метод, который может привести к быстрому и недорогостоящему чтению всего генома путем узнавания основных химических единиц – нуклеотидов, составляющих двойную спираль ДНК. Доступный метод секвенирования ДНК будет означать огромный прогресс в медицине, позволяющий проводить рутинный клинический скрининг генома для диагностических целей, разрабатывать лекарства нового поколения по индивидуальному «заказу» для каждого больного и даже исправлять ошибки в геноме для усиления устойчивости клеток к вирусным и бактериальным инфекциям.

Метод Линдси основан на фундаментальном свойстве материи, известном как квантовое туннелирование, проявляющемся на субатомном уровне. Согласно квантовой теории, элементарные частицы, такие как электрон, могут совершать некоторые очень странные и нелогичные действия, вступающие в противоречие с законами классической физики. Такие субатомные квантовые объекты имеют свойства как частицы, так и волны. Одним из следствий этого является то, что электрон имеет некоторую вероятность перескочить с одной стороны барьера на другую, независимо от высоты или ширины такого барьера.

Примечательно, что электрон может совершить такой подвиг даже в том случае, если потенциальная энергия барьера превышает кинетическую энергию частицы. Такое поведение известно как квантовое туннелирование, а поток электронов называется туннельным током. На таких токах основано действие сканирующего туннельного микроскопа, одного из вариантов зондового микроскопа, который и был использован учеными для разработки нового метода. Туннельный ток в туннельном микроскопе возникает при подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала.

С помощью туннелирования действительно можно читать отдельные основания цепочки ДНК без помех со стороны соседних оснований. Каждое основание генерирует отчетливый электронный сигнал, всплеск тока определенной силы и частоты, что служит для идентификации нуклеотидов. Удивительно, но метод распознает даже небольшие химические изменения, которые природа иногда использует для тонкой настройки экспрессии генов – так называемый «эпигенетический» код. В то время как генетический код человека един для всех клеток организма, эпигенетический специфичен для каждой ткани и клетки. В отличие от генома, эпигеном может отвечать на изменения в окружающей среде на протяжении всей жизни организма.

Чтобы читать более длинные фрагменты ДНК, группа Линдси работает над сочетанием туннелирования с нанопорами – мельчайшими отверстиями, через которые молекулу ДНК, основание за основанием, можно «протащить» с помощью электрического поля. «Всегда считалось, что проблема прохождения ДНК через нанопору заключается в том, что молекула пролетает через нее так быстро, что для считывания последовательности не хватает времени», – говорит Линдси. Удивительно, но сигналы при туннелировании длятся очень долго – около секунды на каждое считанное основание.

Для проверки этого результата Линдси объединил усилия со своим коллегой Робертом Росом (Robert Ros), чтобы измерить, какую силу нужно приложить, чтобы разрушить комплекс из основания ДНК и распознающей молекулы. Они сделали это с помощью атомно-силового микроскопа. «Эти измерения подтвердили большую длительность существования комплекса, а также показали, что время считывания можно сократить по желанию путем приложения небольшого дополнительного тягового усилия», - говорит Рос. «Таким образом, почва для объединения туннельного считывания с устройством, проводящим ДНК через нанопору, подготовлена», - считает Линдси.

Секвенирование с помощью распознающего туннелирования, если окажется успешным для чтения всего генома, может привести к значительному сокращению стоимости, и возможно, временных затрат. Существующие в настоящее время методы секвенирования ДНК основаны на разрезании молекулы на тысячи кусочков, разделении «лестницы» из комплиментарных оснований и чтении этих фрагментов. Затем кусочки должны быть тщательно «собраны» с помощью мощных компьютеров.

«Прямое считывание эпигенетического кода содержит в себе ключ к пониманию того, почему клетки различных тканей отличаются друг от друга, несмотря на то, что имеют один и тот же геном», - добавляет Линдси, имея в виду появившуюся возможность чтения эпигенетических модификаций.

Линдси подчеркивает, что, прежде чем секвенирование методом «распознавания» станет клинической реальностью, предстоит еще очень много сделать. «Сейчас за время сканирование мы можем прочитать только два или три нуклеотида, кроме того, одни основания идентифицируются более точно, чем другие», – говорит ученый. Однако исследователи надеются, что этот недостаток можно будет устранить, как только будут синтезированы «распознающие молекулы» нового поколения.

По материалам

A new read on DNA sequencing