Лабиринт для ДНК

Современная генетическая медицина может многое, однако методы, с помощью которых исследователи изучают ДНК, далеки от совершенства. Высокая себе­стоимость и трудоемкость сделали генетические исследования «элитным» видом лабораторного анализа. Эта проблема до недавнего времени значительно тормозила темпы роста генетики, которая никак не могла перейти на уровень медицины для всех и стать одним из наиболее распространенных способов диагностики. Решение нашла команда американских исследователей во главе с профессором Амитом Меллером из Бостонского университета.

Ученые создали первый доступный метод анализа и исправления ДНК, позволяющий в несколько раз быстрее классических способов генетического анализа просканировать ДНК на предмет мутаций. С помощью кремния и электрических полей была разработана система, автоматически определяющая структурный состав молекулы ДНК и указывающая на существующие генетические поломки. Принцип функционирования системы прост: мощные электрические поля проталкивают цепочку ДНК через нанопоры кремниевых датчиков. Проходя по такому лабиринту, ДНК становится объектом сканирования датчиков.

Электрические поля, приводящие в движение миллионы образцов ДНК одновременно, и огромное число нанопор обеспечивают самую высокую за всю историю генетических исследований производительность скрининговых систем для ДНК. Исследователи могут провести анализ миллионов образцов цепочек ДНК и за один сеанс электромагнитного сканирования установить, в каком именно участке ДНК и в каком гене есть изменения.

«Наше исследование показало, что с помощью классических методов обнаружить мутации в ДНК крайне сложно — эта работа, во-первых, крайне трудоемка и требует огромного числа операций, выполнение которых требует нескольких недель. Во-вторых, из-за дорогого инструментария и необходимости привлечения целой исследовательской группы стоимость ДНК-скрининга была одной из самых высоких среди лабораторных анализов, — рассуждает г-н Меллер. — С помощью же нового метода лаборатории могут не тратиться на дорогостоящее оборудование, а поручить исследование ДНК одному сотруднику. Быстрота и экономичность нового электрокремниевого метода превосходит биохимию в разы».

Ранее единственным способом определения структурных компонентов последовательности ДНК было биохимическое секвенирование биополимеров. Такой метод определения их первичной аминокислотной или нуклеотидной последовательности по­зволяет получить описание, сжато резюмирующее атомную структуру молекулы. Чаще всего для секвенирования применялся метод Сэнгера или метод «обрыва цепи», который был разработан Фредериком Сэнгером в 1977 году и в настоящее время широко используется для определения нуклеотидной последовательности ДНК. В более современном варианте дидезоксинуклеотиды метят четырьмя разными флуоресцентными красителями. Затем во время электрофореза в полиакрил­амидном геле луч лазера в определенном месте геля возбуждает флуоресценцию красителей, и детектор определяет, какой нуклеотид в настоящий момент мигрирует через гель. Надо отметить, что процесс прохождения геномов через гель очень длительный. Именно поэтому использование электромагнитных полей, проталкивающих ДНК через поры датчиков, делает скрининг более быстрым.

Авторы разработки уже получили отличные результаты, внедряя элементы электромагнитной физики в генетику. Прибор для секвенирования ДНК нового поколения может производить за сутки столько же данных, сколько несколько сотен сэнгеровских капиллярных секвенаторов. «Большинство новых технологических разработок направлено на миниатюризацию, мультиплексирование (в данном случае — параллельное соединение низкопроизводительных блоков системы для повышения общей производительности) и автоматизацию процесса секвенирования. Все они могут быть разделены на два класса, — говорит кандидат биологических наук, специалист по биомолекулярным исследованиям Павел Натальин. — Первый объединяет методы секвенирования синтезом, в которых основания определяются по мере того, как они встраиваются в растущую цепь ДНК. Ко второму классу относятся технологии расшифровки последовательности оснований единичной молекулы ДНК. Некоторые из них достаточно экзотичны — как, например, чтение нуклеотидных остатков ДНК электронным или оптическим способом по мере того, как молекула протискивается через нанопору. Длинный перечень улучшений системы капиллярного электрофореза в сочетании с возрастающей автоматизацией и усовершенствованием программного обеспечения позволил снизить стоимость секвенирования в 13 раз, с тех пор как первые автоматические секвенаторы появились в прошлом десятилетии». Вместе с прорывом в области секвенирования сложных смесей ДНК такие проекты сделают возможным изучение любой экосистемы на планете на уровне последовательностей ДНК. Это позволит не только изучать и исправлять мутации ДНК, избавляя человечество от неизлечимых болезней, но и восстановить ДНК древних организмов и узнать об истории развития всего живого на Земле.