Ученые разработали технологию, позволяющую точно определить структуру ДНК с контролируемой постоянной скоростью. Конструкция состояла из стеклянных нанопор, удерживающих молекулу ДНК и перемещающихся вдоль нее. При этом авторы замедлили скорость считывания последовательности ДНК и могли анализировать каждую цепочку несколько раз, что повысило точность анализа структуры ДНК на два порядка. Полученные данные найдут широкое применение в медицине и науке. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
ДНК — это полимер, состоящий из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Всего в ДНК выделяют четыре типа нуклеотидов, при этом генетическая информация, которую кодирует ДНК, определяется последовательностью этих нуклеотидов. Ученые используют порядок связи нуклеотидов в ДНК для установления родственных отношений между организмами, при искусственном синтезе белка, а также в процессе поиска причин заболеваний. Для определения нуклеотидной последовательности ДНК активно используются нанопоры. Однако случайный характер того, какая молекула в какое время попадет в пору, а также с какой скоростью она через эту пору пройдет, усложняют анализ строения ДНК и не позволяют достичь разрешения в одну пару оснований двуцепочечной ДНК.
Швейцарские и британские ученые достигли полного контроля за перемещением ДНК. Для этого они модифицировали высокоскоростную установку сканирующей ионно-проводящей микроскопии — метода, позволяющего определить структуру поверхности веществ. Так, на первом этапе пипетка с ДНК приближалась к поверхности нанопоры, менялась электрическая проводимость установки, электрические силы захватывали ДНК, и она проникала в пору. Затем нанопора перемещалась вдоль ДНК, и в зависимости от того, мимо какого из четырех нуклеотидов она проходила, определенным образом менялась электрическая проводимость внутри поры. По характеру таких изменений исследователи могли установить последовательность нуклеотидов.
Технология авторов, получившая название сканирующей спектроскопии ионной проводимости (SICS), подразумевала, что молекула оставалась привязанной к нанопоре. В результате определение последовательности ДНК происходило только при движении нанопоры, которое исследователи точно контролировали во время эксперимента, что позволило достичь постоянной скорости считывания порядка нуклеотидов.
Метод замедлил прохождение молекулы через нанопору и позволил сканировать одну и ту же молекулу, а также отдельные ее части несколько раз. Возможность контролировать скорость считывания последовательности и усреднять большое число результатов привела к увеличению отношения сигнал/шум на два порядка по сравнению с обычными методами.
Кроме того, технология позволила находить редкие структуры и разрывы в ДНК и обладала потенциалом для обнаружения ДНК и РНК в очень низких концентрациях. Возможность проводить исследования с различными видами молекул в рамках одного эксперимента позволила точно сравнивать результаты при идентичных условиях. Таким образом, разработанный метод поможет врачам и ученым точнее и быстрее определять структуру разных молекул.
«Представьте, что вы наблюдаете, как автомобили ездят взад-вперед, когда вы стоите перед окном. Намного легче прочитать их номерные знаки, если машины замедляют ход и проезжают мимо несколько раз. Мы также можем решить, хотим ли мы измерить 1000 разных молекул каждый раз или одну и ту же молекулу 1000 раз, что представляет собой реальный сдвиг парадигмы в этой области», — рассказывают авторы исследования.
Автор: Анна Дегтярь.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
