Нанопоровые сканеры выявляют первые признаки развития рака

Профессор Амит Меллер (Amit Meller) и его коллеги, используя крошечные нанопоровые сканеры, способные обнаружить отдельные молекулы ДНК, пытаются найти биологические маркеры раковых клеток, которые могут помочь клиницистам диагностировать рак кишечника и рак легкого на самых ранних стадиях заболевания.

Профессор Меллер, сотрудник факультета биомедицинской инженерии в Технионе – Израильском Технологическом Институте (Technion-Israel Institute of Technology, Израиль), руководит исследовательской группой-партнером международного исследовательского консорциума BeyondSeq, целью которого является поиск новых методов расшифровки генетической и эпигенетической информации, полученной из медицинских образцов. Консорциум BeyondSeq получил грант программы Европейского союза Horizon 2020 размером в 6 млн. евро. Он был выбран наряду с восемью другими консорциумами среди 450 предложений.

«Наша лаборатория – единственная лаборатория консорциума, работающая над ранней диагностикой рака с помощью биомаркеров, которые ... позволят врачам более эффективно бороться с раком и спасти человеческие жизни, – говорит Меллер. – В настоящее время отсутствуют эффективные способы, позволяющие диагностировать рак кишечника, а также рак легкого на ранних стадиях заболевания. Как правило эти типы рака диагностируют на более поздней стадии (второй стадии или выше), когда у пациентов уже возникли несколько вторичных опухолей, следовательно, их лечение может быть затруднено».

Технология нанопор, разработанная Меллером и его коллегами, состоит из крошечных отверстий, размер которых в 100 тыс. раз меньше толщины листа бумаги, расположенных в ультра-тонких кремниевых мембранах. Исследователи пропускают электрически заряженные ионы солей через нанопоры, что привлекает к порам такие молекулы, как, например, ДНК, которая имеет естественный электрический заряд. Молекулы ДНК проходят через поры и, по мере их прохождения с одной стороны мембраны к другой, поры их сканируют. Ученые могут обнаружить и зафиксировать оптический и электрический сигналы, испускаемые молекулой по мере прохождения через поры, в результате чего они получают информацию о длине и последовательности ДНК.

По словам Меллера, его исследовательская команда использует нанопоры для изучения вариантов последовательности гена KRAS. Ранее этот ген был идентифицирован в качестве важного биомаркера развития рака кишечника и рака легкого. «Мы можем расшифровать изменения нуклеотидов в гене KRAS с помощью набора цветоиспускающих красителей и считать информацию с нанопорового сенсора. Мы надеемся, что технология на основе нанопор может быть адаптирована для ранней диагностики заболевания, поскольку в настоящее время определение этих биомаркеров чрезвычайно сложно и не возможно с помощью обычных методов», – говорит он.

По мнению ученого, использование нанопор может оказаться особенно эффективным методом ранней диагностики онкологических заболеваний, поскольку они могут сканировать очень маленькие количества молекул, выявляя несколько раковых клеток или молекулярных маркеров рака в большой выборке здоровой крови или ткани.

Исследовательская команда также разрабатывает метод на основе нанопор, позволяющий обнаружить эпигенетические модификации на уровне одиночных молекул.

Меллер и его коллеги разрабатывают возможности использования нанопор уже в течение более чем 15 лет. В статье, опубликованной в журнале Scientific Reports в этом году, они продемонстрировали, что поры способны обнаружить один фактор транскрипции, белок, который активирует синтез информационной РНК с молекулы ДНК. Сканирующие способности пор были настолько мощными, что они смогли различить два разных способа связывания транскрипционного фактора с ДНК, каждый из которых вызывал свои транскрипционные эффекты.

В другой статье, опубликованной в журнале Biophysical Journal, исследователи показали, что технология нанопор может обнаружить различные способы мечения белков с помощью убиквитина – белка, маркирующего крупные белки, предназначенные для утилизации в клетке. В третьей статье, опубликованной в журнале Nano Letters, Меллер и его коллеги продемонстрировали, что нанопоры можно использовать в качестве оптических сканеров для считывания многоцветовых баркодов – искусственных последовательностей, навешенных на молекулы ДНК с целью их идентификации (в эксперименте или анализе).

По материалам American Technion Society

Литература:
1. Iftach Nir, Diana Huttner, Amit Meller. Direct Sensing and Discrimination among Ubiquitin and Ubiquitin Chains Using Solid-State Nanopores. Biophysical Journal, 2015; 108 (9): 2340 DOI: 10.1016/j.bpj.2015.03.025
2. Allison Squires, Evrim Atas, Amit Meller. Nanopore sensing of individual transcription factors bound to DNA. Scientific Reports, 2015; 5: 11643 DOI: 10.1038/srep11643