Новый подход к расшифровке генома
Используя компьютерное моделирование, исследователи из иллинойского университета (University of Illinois) (США) продемонстрировали новый подход к секвенированию ДНК, заключающийся в протягивании молекулы ДНК через тонкие нанопоры в специальном микрочипе. Молекула движется в электрическом поле. Этот метод позволяет изучать механические свойства ДНК, а также осуществлять быстрое и точное секвенирование геномов.
Секвенирование генома – весьма дорогостоящий процесс расшифровки нуклеотидных последовательностей в молекуле ДНК. Существует два современных метода секвенирования – это метод химической деградации (метод Максама-Гилберта) и метод синтеза ДНК на матрице в присутствии терминаторов синтеза (по Сенджеру). Описанная американскими исследователями методика позволяет значительно ускорить и удешевить этот процесс. Стоимость секвенирования генома человека, по их предположениям, должна составлять около 1000 $, что может открыть новую эру в медицине, позволяя с высокой точностью диагностировать генетические причины многих заболеваний и составлять индивидуальные схемы терапии для каждого пациента.
«Несмотря на повышенный интерес к нанопорам применительно к секвенированию ДНК, до настоящего момента оставалось неясным, каким образом нанопоры могут быть для этого использованы», говорит профессор физики Алексей Аксиментьев, руководитель проекта «и мы впервые описали подобный метод».
Профессор Алексей Аксиментьев (Фото: L. Brian Stauffer).
Аксиментьев и его коллеги разработали устройство, способное записывать последовательности нуклеотидов по мере того, как молекула ДНК проходит через нанопору в кремниевом микрочипе. Чем меньше диаметр нанопоры, тем точнее можно управлять положением в ней молекулы.
С помощью компьютерного моделирования было показано, что электрическое поле высокой напряженности может заставить молекулу ДНК пройти через нанопору, даже если диаметр молекулы в растворе больше диаметра канала поры. Таким образом, изначально было показано, что молекула ДНК способна проходить через поры диаметром 2,5 нм.
Первая экспериментальная система исследователей состояла из двуслойной кремний-нитридной мембраны в растворе электролита КСl с использованием Ag/AgCl электродов. В мембране с помощью электронно-лучевого метода были сделаны поры диаметром около 1-3 нм. В область отрицательно заряженного электрода помещали молекулы ДНК, после чего прикладывали напряжение к мембране и измеряли ток, протекающий по нанопоре. В момент, когда ДНК проходила через канал, транспорт электролита временно прекращался. Была оценена сила, требовавшаяся для того, чтобы «протянуть» молекулу ДНК через нанопору – эта сила составила от 1 до 300 пН в течение последовательных стадий процесса. На основании этих экспериментов была построена модель транспорта ДНК через канал нанопоры.
Модель молекулы ДНК, проходящей через нанопору.
«Посредством стимуляции молекулярной динамики, в настоящее время нам удалось показать, что обратимый транспорт молекулы ДНК через нанопору диаметром всего 1 нм позволяет нам записать электростатический «след», на основании которого мы можем судить о последовательности нуклеотидов в полимере», говорит Аксиментьев.
Новый микрочип, или нанопоровый конденсатор, состоит из двух слоев кремния, разделенных изолирующим слоем двуокиси кремния (SiO2). Когда молекула ДНК проходит через нанопоры, ее электрическое поле индуцирует сиквенс-специфические электростатические потенциалы, которые впоследствии могут быть зафиксированы и расшифрованы.
Основной проблемой в настоящее время остается проблема более точного выявления значимых сигналов.
По материалам:
University of Illinois News Center
Секвенирование генома – весьма дорогостоящий процесс расшифровки нуклеотидных последовательностей в молекуле ДНК. Существует два современных метода секвенирования – это метод химической деградации (метод Максама-Гилберта) и метод синтеза ДНК на матрице в присутствии терминаторов синтеза (по Сенджеру). Описанная американскими исследователями методика позволяет значительно ускорить и удешевить этот процесс. Стоимость секвенирования генома человека, по их предположениям, должна составлять около 1000 $, что может открыть новую эру в медицине, позволяя с высокой точностью диагностировать генетические причины многих заболеваний и составлять индивидуальные схемы терапии для каждого пациента.
«Несмотря на повышенный интерес к нанопорам применительно к секвенированию ДНК, до настоящего момента оставалось неясным, каким образом нанопоры могут быть для этого использованы», говорит профессор физики Алексей Аксиментьев, руководитель проекта «и мы впервые описали подобный метод».
Профессор Алексей Аксиментьев (Фото: L. Brian Stauffer).
Аксиментьев и его коллеги разработали устройство, способное записывать последовательности нуклеотидов по мере того, как молекула ДНК проходит через нанопору в кремниевом микрочипе. Чем меньше диаметр нанопоры, тем точнее можно управлять положением в ней молекулы.
С помощью компьютерного моделирования было показано, что электрическое поле высокой напряженности может заставить молекулу ДНК пройти через нанопору, даже если диаметр молекулы в растворе больше диаметра канала поры. Таким образом, изначально было показано, что молекула ДНК способна проходить через поры диаметром 2,5 нм.
Первая экспериментальная система исследователей состояла из двуслойной кремний-нитридной мембраны в растворе электролита КСl с использованием Ag/AgCl электродов. В мембране с помощью электронно-лучевого метода были сделаны поры диаметром около 1-3 нм. В область отрицательно заряженного электрода помещали молекулы ДНК, после чего прикладывали напряжение к мембране и измеряли ток, протекающий по нанопоре. В момент, когда ДНК проходила через канал, транспорт электролита временно прекращался. Была оценена сила, требовавшаяся для того, чтобы «протянуть» молекулу ДНК через нанопору – эта сила составила от 1 до 300 пН в течение последовательных стадий процесса. На основании этих экспериментов была построена модель транспорта ДНК через канал нанопоры.
Модель молекулы ДНК, проходящей через нанопору.
«Посредством стимуляции молекулярной динамики, в настоящее время нам удалось показать, что обратимый транспорт молекулы ДНК через нанопору диаметром всего 1 нм позволяет нам записать электростатический «след», на основании которого мы можем судить о последовательности нуклеотидов в полимере», говорит Аксиментьев.
Новый микрочип, или нанопоровый конденсатор, состоит из двух слоев кремния, разделенных изолирующим слоем двуокиси кремния (SiO2). Когда молекула ДНК проходит через нанопоры, ее электрическое поле индуцирует сиквенс-специфические электростатические потенциалы, которые впоследствии могут быть зафиксированы и расшифрованы.
Основной проблемой в настоящее время остается проблема более точного выявления значимых сигналов.
По материалам:
University of Illinois News Center
Иллюстрация к статье:
Самые свежие новости медицины на нашей странице в Вконтакте
http://www.cbio.ru - Добавил Ivan в категорию Разное
Читайте также
Добавить комментарий