Секвенирование на графеновых нанопорах: быстро и точно

19.01.20166050

Исследователи из Национального Института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST, США) смоделировали новый метод быстрого и точного генетического секвенирования, основанный на пропускании молекулы ДНК через крошечное химически активное отверстие в графене – ультратонком слое атомов углерода – и фиксировании изменений электрического тока.

По данным исследования NIST, пропускная способность метода составляет около 66 млрд. нуклеотидных оснований в секунду с точностью 90% и без ложноположительных результатов. Экспериментально показано, что метод, разработанный в NIST, в итоге может стать быстрее и дешевле, чем традиционное секвенирование ДНК, удовлетворяя острой потребности в использовании метода, например, в криминалистике.

Традиционное секвенирование, разработанное в 1970-х гг., сочетает выделение ДНК, ее амплификацию (увеличение числа копий ДНК), мечение, прочтение последовательности и выравнивание на референсный геном. Новая возможность, предоставляемая NIST, является еще одним витком существующего метода секвенирования на нанопорах, когда ДНК протягивается через отверстие в специальном материале, исходно – белке. Эта концепция, впервые предложенная 20 лет назад в NIST, основана на проведении электрически заряженных частиц (ионов) сквозь пору. Идея остается популярна, однако имеет определенные недостатки, такие как нежелательный электрический шум, или помехи, и недостаточная избирательность.

В отличие от исходного метода, новая идея NIST заключается в создании временных химических связей и основана на способности графена трансформировать механическое напряжение от разрыва связей в измеряемые импульсы электрического тока (тензочувствительность).

«По сути, это крошечный датчик напряжения, – рассказывает теоретик NIST Александр Смоляницкий (Alex Smolyanitsky), руководитель проекта, разработавший идею метода, – Мы не изобрели полноценную технологию. Мы обозначили новый физический принцип, который потенциально может превосходить все существующие».

Графен популярен в проектах по секвенированию на нанопорах благодаря своим электрическим свойствам и миниатюрной пленкоподобной структуре. В новом методе, разработанном в NIST, нановолокна графена (размером 4,5*15,5 нм) несут несколько копий основания, присоединенного на нанопору (шириной 2,5 нм). Работа метода осуществляется за счет свойства комплементарности (соответствия) нуклеотидных оснований (цитозин комплементарен гуанину, тимин – аденину), являющихся структурными элементами ДНК.

В модели работы сенсора при комнатной температуре в воде к нанопоре присоединяется цитозин для выявления гуанина. Однонитевая (раскрытая) молекула ДНК протягивается через пору. При прохождении гуанина формируются водородные связи с цитозином. По мере продвижения ДНК графен активируется и возвращается в исходное положение, как только связи разрываются.

Исследование NIST было сфокусировано на влиянии напряжения на электронные свойства графена. В результате установлено, что временные изменения электрического тока действительно указывают на прошедшее через пору нуклеотидное основание. Для определения всех четырех оснований можно создать интегрированный ДНК сенсор, вертикально объединив графеновые волокна, в поре каждого из которых закреплены разные нуклеотидные основания.

Для оценки уровня вариаций измеряемого сигнала исследователи объединили смоделированные данные с теоретическими. Сила фиксируемого сигнала отмечалась порядка миллиампер (1мА = 10-3A), что сильнее чем в предложенном ранее методе ионного тока. Основываясь на выполнении задачи с точностью 90% без ложноположительных результатов (т.е. ошибок, возникших в результате пропущенных оснований, а не ошибок прочтения), исследователи предположили, что независимые измерения одной и той же нити ДНК могут дать точность 99,99%, что требуется для секвенирования генома человека.

Авторы исследования заключают, что предложенный метод подает «значительные надежды на реалистичный прибор для прочтения ДНК» без необходимости в дополнительной обработке данных, микроскопах или сильно ограниченных условиях эксплуатации. Помимо присоединения оснований к нанопоре, все остальные компоненты сенсора экспериментально продемонстрированы другими исследовательскими группами. Теоретический анализ позволяет предположить, что основные методы электронной фильтрации могут выделять значимые электрические сигналы. Предлагаемый метод также может использоваться с другими тензочувствительными мембранами, такими как дисульфид молибдена.

Примерно половина моделирований была проведена соавторами публикации из Университета Гронингена (University of Groningen, Нидерланды). Остальная часть выполнена в Национальном Институте Стандартов и Технологий.

Концепция NIST для секвенирования ДНК с помощью графеновых нанопор.(фото: Smolyanitsky/NIST)

По материалам National Institute of Standards and Technology (NIST)

Оригинальная статья:
Eugene Paulechka, Tsjerk A. Wassenaar, Kenneth Kroenlein, Andrei Kazakov, Alex Smolyanitsky. Nucleobase-functionalized graphene nanoribbons for accurate high-speed DNA sequencing. Nanoscale, 2016; DOI: 10.1039/C5NR07061A


Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей