Секвенсор ДНК размером с мобильный телефон

MinION

Однажды в далеком 1989 году биофизик Дэвид Димер (David Deamer) остановил свою машину на обочине шоссе California Interstate 5, чтобы успеть записать посетившую его идею. Перед глазами ученого стояла цепочка ДНК, проходящая сквозь микроскопических размеров щель. Вооружившись ручкой, он набросал на желтом листке бумаги радикально новый способ изучения молекулы жизни.

nanopore

Спустя двадцать пять лет идея воплотилась в жизнь в виде устройства для расшифровки генной последовательности. Своими размерами прибор не превышает смартфон, и, похоже, последствия от его появления обещают быть столь же ошеломительными.

Первые образцы инструмента, получившего название MinION, после долгих задержек уже начали поступать в исследовательские лаборатории. Разработан девайс компанией Oxford Nanopore из Великобритании, у которой на превращение идеи Димера в не имеющий аналогов на рынке секвенсор ДНК ушло 292 миллиона долларов и 10 лет труда. Длина прибора 10 сантиметров, а питается он от USB-порта на компьютере. В отличие от промышленных образцов для расшифровки ДНК, расходующих литры дорогостоящих реактивов и достигающих размеров холодильника, MinION проводит анализ молекулы по мере ее прохождения сквозь микроскопические поры мембраны. На основании изменений электрических показателей молекулы считывается генетический А-Г-Ц-Т код.

Ученые, у которых был доступ к первым опытным образцам «нано»-секвенсора, отмечали нестабильность его работы и низкую точность получаемых результатов, однако это не мешало им говорить о большом потенциале прибора для исследования ДНК в будущем. После работы с секвенсором, биоинформатик Мик Уотсон (Mick Watson) из института Roslin в Шотландии называет секвенстирование сквозь нанопоры «революционной технологией, способной стать лидером на рынке расшифровки генов в ближайшие годы».

Хотя исследователи единогласно подтверждают значительные погрешности в работе девайса, некоторые его функции не имеют на сегодняшний день аналогов. К тому же, секвенсор столь скромных габаритов совсем скоро даст возможность полицейскому считать геном из капли крови, оставленной на месте преступления, или позволит доктору точно определить вирус в разгар эпидемии. Совсем недавно один ученый твитнул фотографию устройства, лежащего на кухонном столе и расшифровывающего ДНК.

minion-dna-sequencer

MinION является результатом кропотливой работы коллектива двух сотен исследователей из Oxford Nanopore, давно положивших глаз на растущий рынок быстрых секвенсоров ДНК. Однако, войти на этот рынок не так уж просто, поскольку около 90 процентов всего генного материала обрабатывается сегодня на оборудовании одной фирмы из Сан Диего – Illumina. Приборы, выпускаемые этой фирмой, настолько хороши, что большинство ее конкурентов либо откровенно не дотягивают по качеству, либо вовсе уже обанкротились.

Но сегодня некоторые крупные игроки заявляют, что нанопоры смогут стать той технологией, которая пошатнет-таки монополию Illumina на сверхприбыльном рынке секвенсоров ДНК. В этом году компания Roche, безуспешно пытавшаяся поглотить Illumina в 2012-м, потратила 125 миллионов долларов на покупку небольшой Genia Technologies, специализирующейся на нанопорах, а также инвестировала неназванную сумму в Stratos Genomics. Кроме этого, технологиями нанопор сейчас всерьез интересуется Hitachi и стартапы вроде Electronic Biosciences.

По словам Димера, идея секвенстирования сквозь нанопоры посетила его еще в 1989-м, всего лишь через три года после появления первых автоматических дешифраторов человеческого генома. Он попытался создать искусственные клетки, представляющие собой капли жира, способные проталкивать молекулы сквозь микроскопические поры подобно тому, как это делают настоящие клетки. Данная идея основывалась на теории ученого о том, что проходящая сквозь такие поры молекула (а особенно настолько длинная, как молекула ДНК) будет постоянно изменять электрические показатели жировой клетки, а это, в свою очередь, смогут зафиксировать приборы.

Однако до момента создания MinION пришлось ждать целых 25 лет, и в основном так произошло из-за непреодолимых трудностей технического характера. Каждая буква кода находится на расстоянии от соседней всего в половину нанометра, а разница между некоторыми из них кроется лишь в одном-двух атомах: вот почему их так трудно различать. Да и как вообще возможно повторить то, что делает MinION: пропустить цепочку ДНК сквозь щель толщиной в 1/100000 толщины человеческого волоса при скорости менее 30 букв последовательности за секунду?

«Было немало умных людей, утверждавших, что данная процедура просто физически невыполнима» — говорит Джефри Шлос (Jeffery Schloss) – глава подразделения генных исследований в Национальном институте исследования человеческого генома из города Бетесда (Bethesda), штат Мэриленд. «Теперь мы убедились, что это действительно возможно. Вопрос только в том, насколько данная технология окажется востребованной на практике».

В Oxford Nanopore уже разочаровывали своих фанатов ранее. Когда в 2012 году там впервые анонсировали MinION, от него ожидали многого. Но после того как никто так и не увидел прибор своими глазами, люди стали задаваться резонными вопросами из серии «А был ли мальчик?».

И вот уже этой весной Oxford достаточно хорошо поработала над всеми багами, чтобы начать рассылку 500 бета-версий секвенсора в лаборатории, изъявившие желание испытать прибор. Еще один создатель данной технологии Марк Эйксон (Mark Akeson), работающий вместе с Димером в отделении биоинженерии Калифорнийского университета, отмечает, что, начиная с июня, он получил уже две исправленные версии: верный признак того, как быстро в Oxford Nanopore принимают меры по устранению недостатков девайса.

Для человека, стоявшего у истоков данной технологии, материализация любого коммерческого нанопорного секвенсора – уже огромное событие. «Это просто замечательно, что в любой уголок мира можно отправить стограммовый работающий аппарата для расшифровки генной последовательности» — говорит Эйксон. И хотя у них с Димером есть в Oxford свой финансовый интерес, они уверены, что у MinION все только начинается. «С прибором все в порядке», — уверяет Димер. «Есть вопросы по точности, но мы постоянно работаем над улучшениями в этой области».

Несколько ученых, работающих с девайсом, отмечают, что он расшифровывает корректно лишь от 60 до 85 процентов букв из генетического кода. И это очень плохие новости для Oxford Nanopore, учитывая, что приборы Illumina, некоторые из которых стоят до 1 миллиона долларов, обеспечивают точность в более чем 99,9 процентов. С другой стороны, исследование генов ставит перед собой весьма разносторонние задачи, поэтому в целом для науки такое устройство, пусть и допускающее ошибки, уже является большим успехом.

Даже самые лучшие современные секвенсоры расшифровывают ДНК уже после того, как она была «порезана» на куски длиной 150 букв каждый. Впоследствии эти куски приходится снова собирать воедино, чтобы получить геном. Даже имея суперкомпьютеры, результат такой сборки не всегда читается однозначно: слишком много звеньев последовательности могут повторяться или отсутствовать.

Нанопорное секвенстирование полезно тем, что при этом методе создаются т.н. «длинные цепочки». Так, например, по словам Эйксона, этим летом его лаборатория расшифровывала последовательности человеческого ДНК длиной 79000 букв, что, скорее всего, является абсолютным рекордом за всю историю исследований. Длинные цепочки значительно упрощают повторную сборку генома, особенно если вид до этого был недостаточно изучен.

Конечная розничная цена секвенсора на данный момент остается неизвестной. Ник Ломан (Nick Loman) – исследователь из университета Бирмингема – утверждает, что его лаборатория заплатила за такой прибор около 1000 долларов, хотя легко предположить, что лишь съемная матрица с нанопорами в количестве 2000 штук будет стоить дороже. Тем не менее, он надеется, что и в будущем цена останется «такой же доступной».

На прошлой неделе главный инженер Oxford Nanopore Клайв Браун (Clive Brown) объявил о скором представлении новых инструментов для MinION. Один из них под названием PromethION будет использовать для расшифровки 100000 нанопор одновременно и сможет составить достойную конкуренцию представленной ранее в этом году системе секвенстирования от Illumina.

http://player.vimeo.com/video/77246565