Высокоскоростное нанопоровое секвенирование ДНК

Команда ученых из Института биодизайна Университета штата Аризона и Исследовательского центра IBM имени Уотсона разработала прототип нового устройства для высокоскоростного нанопорового секвенирования ДНК, которое можно будет применять в повседневной работе врача.

«Наша цель – создать дешевое, простое и мощное диагностическое устройство для ДНК и протеинов, которое будет стоять в кабинете каждого врача», - говорит Стюарт Линдсей (Stuart Lindsay), профессор физики ASU и директор институтского Центра биофизики одиночных молекул.

Такие технологии особенно актуальны в эпоху персонализированной медицины, когда информация о ДНК пациента и белковом профиле может использоваться для подбора индивидуального лечения болезней.

Это технологии, которые полностью меняют правила игры в медицине и фармации. Секвенирование генома в повседневной клинической практике становится реальностью. Новое достижение позволяет сделать это всего за $1000 – довольно скромную сумму по меркам американской медицины.

В ходе своего последнего исследования ученые тестировали микроскопическое устройство для считывания ДНК, которое в несколько тысяч раз меньше толщины человеческого волоса.

Устройство достаточно чувствительное, чтобы различать каждое химическое основание в составе ДНК (обозначаемые буквами А, Т, Ц, Г) во время прохождения молекулы через считывающую головку.

Ученые, применив растворы с отдельными химическими основаниями, доказали правильность своей концепции. Устройство давало четкий сигнал при обнаружении ДНК в растворе, даже в наномолярных концентрациях. Это лучше, чем современные технологии секвенирования ДНК, которые относят к так называемому следующему поколению.

Устройство для считывания ДНК, предложенное учеными, представляет собой «сэндвич» из ультратонких (толщиной с атом) полупроводниковых слоев. Вся сложность в том, чтобы эти слои могли преобразовывать химическую информацию ДНК в электрический сигнал прибора.

Ученые сделали этот «сэндвич» из двух металлических электродов, которые разделены изолирующим слоем толщиной 2 нанометра (1 нм – это в 10 000 раз меньше толщины волоса человека). Для этого была применена технология атомно-слоевого осаждения. В «сэндвиче» было сделано отверстие, через которое должны проходить сканируемые молекулы ДНК.

«Технология, которую мы разработали, может быть всего лишь первым шагом к построению одномолекулярного секвенирующего устройства, производимого по обычной технологии для компьютерных чипов. Предыдущие попытки создать туннельные соединения для считывания ДНК были построены по-другому. Тогда было невозможно использовать обычные методы производства», - поясняет Линдсей.

Когда через нанопору в считывающем устройстве проходит молекула ДНК, возникает электрический пик, который уникален для каждого химического основания (А, Т, Ц, Г) в ДНК.

Ученые разработали несколько модификаций новой технологии, которые отличаются в основном особенностями промышленного производства. Кроме того, для более точной работы устройства еще нужна калибровка. И финальным шагом работы должно стать уменьшение размеров нанопоры, чтобы сквозь нее могла проходить только одна молекула ДНК.

Но в целом исследователи почти закончили разработку прибора, который сможет надежно работать на протяжении нескольких часов подряд, идентифицируя химические основания ДНК пациентов, проходящей сквозь 2-нанометровое отверстие.

Ученые также обещают модифицировать технологию для считывания других одиночных молекул – например, молекул лекарственных веществ. Это очень поможет фармацевтическим компаниям при разработке новых лекарственных препаратов.

Последнее достижение может привести ASU в мир большого бизнеса. Линдсей уже говорит о создании новой компании Recognition Analytix, которая рассчитывает повторить головокружительный успех Molecular Imaging Corp – высокотехнологичной компании, основанной в 1993 году.

Работы по созданию устройства для нанопорового секвенирования ДНК были профинансированы Национальным институтом здоровья США и фармацевтической компанией Roche.

Результаты исследования были опубликованы в журнале ACS Nano.

medbe.ru