Наследственные органы: новая технология на порядок ускорит расшифровку ДНК
Российские ученые разработали устройство, которое ускорит полную расшифровку генома с нескольких недель до нескольких дней. Это секвенатор последнего, третьего поколения — он может прочитать наследственную информацию в отдельно взятой молекуле ДНК и делает это более длинными отрезками. Аналогичные разработки сейчас есть только в США и Великобритании. Благодаря новой технологии можно будет наблюдать за биологическими процессами не только в тканях или органах, но и в отдельной клетке, объясняют эксперты. Это позволит лучше понять механизмы развития наследственных и онкологических болезней.
Устройство третьего поколения
Первый отечественный прибор для расшифровки геномов (секвенатор) последнего, третьего поколения разработали специалисты Института аналитического приборостроения (ИАП) РАН вместе с коллегами из Института спектроскопии РАН и компании «Синтол» при финансовой поддержке Минобрнауки РФ.
В настоящее время опытный образец изобретения проходит тестовую эксплуатацию. Создатели следят за тем, как работает секвенатор, фиксируют и исправляют ошибки, готовят его к серийному производству. По их оценкам, чтобы удовлетворить потребности российских исследователей, необходимо произвести около 100 таких приборов.
Секвенаторы предыдущих поколений из-за относительно слабого разрешения могли разглядеть ДНК только тысяч работающих синхронно молекул. Новое устройство способно в реальном времени рассмотреть гены одной-единственной молекулы. Это дает возможность изучать наследственность отдельной клетки и получать более точный результат.
Кроме того, используемые сейчас приборы читают всю длинную цепочку небольшими участками до 250 символов, соответствующих одной из четырех разновидностей нуклеотидов. С помощью этих веществ кодируется вся наследственная информация в организме. Например, геном человека состоит из нескольких миллиардов таких «букв». Новая разработка читает их целыми «предложениями» из 15–20 тыс. символов. Благодаря этому в геномной последовательности становятся видны перестановки и повторы (они часто возникают, например, при раковых заболеваниях), а расшифровка проводится значительно быстрее и точнее.
— Секвенаторы третьего поколения, или, как еще их называют, одномолекулярные, производят только в США и Великобритании. Мы взяли за основу американский прибор, но реализовали свою собственную оригинальную технологию. За счет чтения более длинных участков она значительно упрощает сборку «пазла» генома целиком и позволяет отслеживать геномные перестройки, что важно для медицины. На мой взгляд, это даже не эволюционный, а революционный скачок в технологиях, — сказал заместитель директора по научной работе ИАП РАН Антон Букатин.
Молекулы ДНК очень малы, и «читать» их напрямую с помощью существующих технологий невозможно. Однако при делении клетки все молекулы ДНК удваиваются, чтобы каждая клетка получила свою копию всех генов. За это отвечает особый фермент — полимераза. Секвенатор при помощи содержащих светящийся пигмент красителей «подсматривает» за тем, какие нуклеотиды встраиваются полимеразой при копировании генома. В новом устройстве для этого используется более чувствительная оптическая система и новые химические реагенты, что позволяет рассмотреть наследственную информацию отдельной молекулы.
По расчетам разработчиков серийный выпуск приборов должен начаться в 2026–2027 годах. В основном его делают из российских комплектующих, однако несколько компонентов импортные. В ближайшее время ученые намерены заменить их на отечественные. Создатели рассматривают возможность поставки своего изобретения в дружественные страны.
Разглядеть клетку
Одномолекулярные секвенаторы дают очень высокую скорость чтения наследственной информации. Расшифровка генома вместо нескольких недель теперь будет занимать несколько дней и делаться с высокой точностью. Необходимо, чтобы точность достигала 99% и выше, пояснил «Известиям» ведущий научный сотрудник Института спектроскопии Павел Мелентьев.
— Для создания российского одномолекулярного секвенатора нужно было в сжатые сроки, за 2,5 года, разработать оригинальные оптические технологии. В итоге нам удалось создать оптический детектор, который стал частью большого приборного комплекса. Технология включает в себя нанооптику. Это взаимодействие света с одиночными молекулами в наноразмерных системах. А оно всегда связано с различными сложностями, — сказал Павел Мелентьев.
Еще одна важная часть работы — создание ячейки, в которую помещается изучаемая молекула. Фактически был создан оптический чип с элементами интегральной оптики с наноотверстием в центре. В нем и происходят биомолекулярные реакции, за которыми «подсматривает» секвенатор, подчеркнул ученый.
Ячейка для секвенирования
Набор реагентов для устройства разработали в компании «Синтол».
— Реагенты включают в себя несколько ключевых компонентов, которые позволяют проводить одномолекулярное секвенирование. Эти вещества воссоздают молекулярные механизмы, протекающие в живых клеточных системах. В их числе ДНК-полимеразы, флуоресцентно-меченые субстраты, которые при включении детектирует прибор, и многие другие. Мы обеспечили всю эту необходимую химию и биологию, — сказал научный директор компании «Синтол» Яков Алексеев.
Секвенирование длинных отрезков единичных молекул ДНК позволит лучше понимать патогенез, то есть реальные причины и механизмы развития наследственных и онкологических заболеваний. Ученые получат не средневзвешенный анализ ДНК организма или ткани, а реальную оценку мутаций в конкретной клетке, пояснил «Известиям» научный сотрудник Института иммунологии и физиологии Уральского отделения РАН Михаил Болков.
— Это значит, что можно будет понять работу клетки в тех или иных условиях на генном и молекулярном уровне. Какой ген выключается, какой включается, какие формы РНК образуются и так далее, — сказал Михаил Болков.
Также технология позволит правильно собирать геномы организмов, которые еще не расшифрованы. А это тысячи бактерий, вирусов, животных и рыб. Это особенно сложная работа, так как у ученых нет образца, как правильно выстроить мозаику из тех участков ДНК, которые они прочитали, добавил эксперт.
