ДНК-секвенаторы: точность против простоты и дешевизны



Подключённый к ноутбуку аппарат для секвенирования MinION разработки Oxford Nanopore Technologies (фото Oxford Nanopore Technologies).

Многообещающий метод секвенирования ДНК, основанный на протягивании ДНК через нанопору с побуквенным прочтением огромных кусков последовательности, не вполне оправдал себя. Полученные с его помощью данные всё равно приходится проверять посредством других секвенирующих машин.

Хотя секвенировать ДНК научились давно, исследователи не перестают искать новые методы и оптимизировать старые. Цель таких работ — удешевить процесс, сделать его быстрым, простым и точным, чтобы в прочитанной последовательности ДНК можно было быть уверенным с первого раза.

И, как и во всяком научном деле, успехи тут не обходятся без неудач, более или менее тяжёлых. Бывает, что исследователям просто не удаётся взять ту планку, которую они сами себе поставили: например, точность метода повышается, но не так быстро, как нам хотелось бы. Что-то похожее произошло с компанией Oxford Nanopore Technologies, два года назад заявившей о довольно необычном способе секвенирования, с которого можно было бы единовременно прочитывать очень большие куски ДНК.

Говоря о секвенировании ДНК, нужно понимать, что это не означает непрерывного чтения всей молекулы ДНК, которая составляет бактериальную или, тем более, человеческую хромосому. Существует много методов сиквенса, но в каждом из них на выходе получается набор коротких прочитанных последовательностей, которые укладываются в исходную большую ДНК. Эти мелкие фрагменты можно объединить благодаря их взаимному перекрыванию, то есть всё ещё зависит от того, насколько точно считаны маленькие фрагменты и насколько точно удалось их совместить.

Суть же процедуры, предлагаемой Oxford Nanopore, заключалась в следующем: ДНК протягивали через пору, при этом ДНК меняла ионный поток в этой поре, и такие изменения зависели от того, какой нуклеотид в текущий момент проходит через пору. В теории такой способ позволил бы за раз прочитывать тысячи нуклеотидов, без последующей манипуляции с фрагментами последовательности. Идее уже двадцать лет, но реализовать технически её удалось только в 2012 году.

Авторы метода тут же собрались поставить его на поток. Но, во-первых, оказалось, что ту мембрану, через которую они пропускали ДНК в экспериментах, в больших количествах изготавливать сложно — и ей пришлось искать замену. Во-вторых, видя энтузиазм, который их метод возбудил в биомедицинской общественности, учёные попытались изготовить портативный прибор, доступный всем и каждому, в котором просто нужно было бы менять расходные материалы.

Два года об этом не было ни слуху ни духу. И вот сейчас на конференции Advances in Genome Biology & Technology, которая проходит во Флориде (США) и на которой сообщают о последних достижениях в геномных технологиях, с известиями о новом методе выступил Дэвид Яффе (David Jaffe) из Института Броуда (США), сотрудничающий с Oxford Nanopore. Как выяснилось, ожидания, касающиеся «метода наноотверстий», оказались в известной степени завышенными: с его помощью можно было читать куски длиной в 10 000 азотистых оснований (действительно огромная длина), однако в прочитанных кусках неизбежно появлялись ошибки, которые не позволяли сложить из них полный геном (эксперименты ставились с ДНК кишечной палочки длиной 4,6 млн пар оснований и с ДНК Scardovia wiggsiae длиной 1,55 млн пар оснований). Чтобы объединить фрагменты в геном, нужны были данные, полученный с помощью другого метода сиквенса — например, того, что используется в машинах фирмы Illumina.



Секвенирующая машина фирмы Illumina (фото Illumina).

Метод же Illumina (точнее, Illumina/Solexa) заключается в том, что на ДНК-шаблоне, который нужно прочитать, синтезируется комплементарная цепь из нуклеотидов с флюоресцентной меткой. После встраивания нуклеотида в растущую цепь его свечение считывается, и таким образом можно узнать, что за нуклеотид встал на очередную позицию (у всех четырёх нуклеотидов светящиеся метки различны). Здесь, можно сказать, последовательность в буквальном смысле читается, и общая картина складывается из множества прочитанных фрагментов длиной примерно в сто нуклеотидов.

Как мы помним, одним из важных критериев метода секвенирования является его дешевизна (чем дешевле процедура, тем больше клиник смогут себе его позволить). В этом году Illumina заявила, что ей удалось снизить «стоимость» одного человеческого генома до 1 000 долларов (куда входят и реагенты, и труд оператора) — однако проблема её машин в том, что сами по себе они исключительно дороги, и, чтобы окупиться, такой агрегат должен обработать за год 1 800 геномов. Далеко не каждая медицинская организация имеет дело с такими масштабами, так что компания пока что всё равно работает на биомедицинские гиганты и масштабные проекты.

Но вернёмся к аппарату Oxford Nanopore, который был назван MinION. Его авторы не унывают, предлагая всем желающим испытать его за 1 000 долларов, кои, если результат не понравится, вернут обратно. Считается, что он пригодится при грубом анализе бактериальной микрофлоры (к примеру, в почве) или при анализе ДНК, содержащейся в пище. Однако весь вопрос в том, насколько его возможности окажутся полезны в каждом случае: многие исследователи усомнились в перспективах этого портативного секвенатора, раз уж его данные всё равно надо подкреплять другим методом.

Ну а мораль, которую можно вывести из этой истории, заключается, видимо, в следующем: секвенаторы ДНК не скоро станут такими же доступными, как утюг или стиральная машина. Если, конечно, мы хотим от таких аппаратов исчерпывающих и точных результатов.

Источник

«Один человек не может доказать что бога не существует, но наука делает бога ненужным»

Стивен Хокинг

Научный подход на Google Play

Файлы

Нил Стивенсон "Анафем"

Основы археологии

Капитал - Карл Маркс (Все 3 тома)

Футурология 21 век: Бессмертие или глобальная катастрофа?