Как работает секвенирование ДНК

Как работает секвенирование ДНК

Секвенирование ДНК кажется простой процедурой: есть молекула, вы смотрите на неё и записываете, что вы нашли. Но проблема не в рассмотрении молекул, а в том, чтобы проверить их идентичность тысячи раз, не совершая ошибки. Это трудно, но природа ДНК такова, что имея 95% правильной последовательности, вы не имеете ничего. Так как же ученые считывают эти чертежи биологии, на которых основана значительная часть современной медицины и биотехнологий?

Все началось с ученого по имени Фредерик Сенгер. Он создал весьма оригинальный метод чтения молекулы ДНК, в котором использовался особый вид основы ДНК под названием дДНК. Частица «ди» означала, что дДНК образовывается без ОН-групп, в то время как нормальная дезоксирибонуклеиновая кислота содержит одну. В нормальном ДНК эта ОН-группа работает как точка соприкосновения со следующим звеном в цепи ДНК. Без такой группы молекулы дДНК не могут продолжать цепочку и являются окончанием её окончанием. Сенгер понял, что он может использовать эту тенденцию, чтобы увидеть последовательность всей предыдущей цепи.

Как работает секвенирование ДНК

Допустим, есть 4-базовая молекула ДНК с последовательностью АТГЦ, которая нам неизвестна. Мы знаем, что ДНК может воспроизводить себя. Для этого достаточно нагреть его до такой степени, что двойная спираль, чтобы двойная спираль «расплавилась» в две отдельные нити в присутствии ферментов, которые соединят с ними свободно плавающие основы ДНК. В конечном итоге мы получим две отдельные двойные спирали вместо одной. Но что делать, если эти обычные молекулы ДНК смешиваются с дДНК?

В этом случае мы получим разные продукты, в зависимости от того, где в растущих цепях прикрепилась молекула дДНК. Для молекулы АТГЦ реплицированные нити будут полные и неотмеченные, если дДНК не попала в последовательность. Но также мы получим нить, заканчивающуюся на дДНК, например пару АЦ. Также мы можем получить двойные базовые нити, оканчивающиеся на Г, тройные базовые нити, оканчивающиеся на Т, и четырехбазовые нити с концом в виде А. Это даст последовательность ЦГТА, а это значит, что изначальная комплементарная последовательность АТГЦ.

Как работает секвенирование ДНК

Тем не менее, даже если автоматизировать этот процесс, он остается слишком медленным для масштабных мета-анализов, в которых нуждается современная медицина. Вот где появляется так называемое «массовое параллельное секвенирование». Его идея в том, что разбив длинную последовательность ДНК на более мелкие фрагменты, можно считать их всех одновременно.

Наиболее популярный из этих методов дробления это, вероятно, Solexa.  В этом процессе модифицированные нуклеотиды, которые могут присоединять к ДНК-полимеразе не более одного нуклеотида. Затем модификация блокируется и к цепи присоединяется следующий элемент. Таким образом, цикл разблокировки позволяет ученым делать определять последовательности в зависимости от флюоресцентной метки нуклеотидов.

Массовое параллельное секвенирование изменило геномику, но даже после этих методов можно прогрессировать дальше. Сейчас существует ряд конкурирующих предложений, которые могли бы сделать секвенирование гораздо более доступным и практичным. Все они предлагают убрать процесс репликации ДНК и считывать ДНК-молекулу напрямую.

Как работает секвенирование ДНК

Наиболее успешной из этих ранних технологий является нанопорное секвенирование. В этом методе цепочка ДНК пропускается через пору в электропроводном материале. Когда исследуемые молекулы проходят через пору по направлению поля, они уменьшают сечение, доступное для ионов, и сила тока падает. Анализируя изменение силы тока, можно определить свойства молекулы, проходящей через пору, и рассчитать последовательность.

Вопрос улучшения технологии секвенирования остается открытым, но для больших лабораторий пределы определения цепочки уже довольно высоки. Сейчас ученые пытаются сделать эти процессы доступней для широкого использования в реальном мире. Они могут открыть путь к широкодоступной персонализированной медицине, но для этого исследования должны продолжаться.

Система Orphus
comments powered by Disqus
 
Top