Джеймс Уотсон - ДНК. История генетической революции

Однако «гонка секвенаторов», несомненно, должна была пройти еще немало зигзагов и поворотов. Более двух десятилетий исследователи работали над, казалось бы, простой новой концепцией: дело в том, что при протягивании ДНК через бактериальные белковые мембраны, образованные естественным образом и именуемые нанопорами, можно определять последовательность нуклеотидов. Впервые эту идею сформулировал химик Дэвид Димер из Калифорнийского университета в Санта-Крусе, обрисовавший такую систему в 1989 году на листе желтоватой линованной бумаги.

Через несколько лет Димер совместно с Дэном Брэнтоном из Гарварда опубликовал результаты исследования, подтверждающие эту концепцию. «При условии дальнейшей доработки этот метод, в принципе, мог бы обеспечить непосредственное и высокоскоростное обнаружение последовательности оснований в отдельно взятых молекулах ДНК или РНК», – прогнозировали авторы, в то время как коллеги еще только готовились к первым черновым работам по секвенированию человеческого генома.

Спустя чуть более десяти лет британский химик и специалист по нанопоровому секвенированию оксфордский профессор Хаган Бейли основал компанию Oxford Nanopore Technologies . Компания пригласила на работу двух «ветеранов» из Solexa : Клайва Брауна и Джона Милтона, – которым было поручено разработать технологии: от компьютерных и программных систем до создания самих нанопор и других компонентов. Работа в значительной степени базировалась на идеях, сформулированных Димером и Брэнтоном еще в 1990-е годы: проделываем белковую нанопору в плоской полимерной мембране, так что ДНК может проникнуть через мембрану лишь сквозь эту крошечную нанопору. Пропускаем через мембрану электрический ток и измеряем сопротивление (изменение тока) за период времени. ДНК проскальзывает сквозь эту пору со скоростью, стремящейся к 500 основаниям в секунду. Далее задействуем хитрую информатику – например, такой инструментарий, как рекуррентные нейронные сети, – чтобы идентифицировать конкретные основания исходя из результатов измерения тока.

В 1989 году Дэвид Димер схематически изобразил идею нанопорового секвенирования ДНК

Разумеется, будь все так просто, Oxford Nanopore – либо одна из конкурирующих компаний – стала бы известна в каждом доме. На самом деле ученым из компании предстояло методом проб и ошибок отмести множество стратегий, прежде чем остановиться на системе, применяемой в настоящее время. Исходная идея, которую окрестили «срежь и брось», была связана с использованием фермента под названием экзонуклеаза. Фермент отхватывает отдельные нуклеотиды с хвостового конца последовательности ДНК, примерно как «Пакман», после чего эти фрагменты один за другим проходят через пору, расположенную снизу. Но эта идея оказалась провальной; от нее отказались и стали пропускать через пору цельную ДНК, используя другой фермент, расплетающий двойную спираль.

Замечательный прибор-секвенатор от компании Oxford Nanopore. Фермент расплетает двойную спираль, и одиночная нить ДНК, извиваясь, проходит сквозь центральную пору бактериального нанопорного белка. Анализ флуктуаций электрического тока позволяет идентифицировать конкретные основания, проникающие через пору

Секвенатор сильно уменьшился: Oxford Nanopore планирует запустить производство прибора SmidgION, который буквально вставляется в смартфон, как флешка

Возможно, наиболее революционное достижение оксфордской технологии – сам прибор. Это крошечное мобильное устройство не больше смартфона, которое подключается к ноутбуку через обычный USB-кабель.

Качественно подготовленный образец ДНК помещают в маленький приемник (нишу в устройстве), откуда биоматериал поступает в камеру с нанопорами. Каждая нанопора находится в центре специальной зоны в этом устройстве, как горошина посреди футбольного поля. Единственного устройства MinION, конечно, недостаточно для секвенирования целого человеческого генома, но благодаря мобильности и удобству применения этого устройства для него открываются новые рынки и области прикладного использования: от полевой исследовательской работы и прогнозирования до изучения инфекционных заболеваний и применения в школах. Так, MinION применяли в Гвинее (Западная Африка) для изучения вспышек вируса Эболы, в Бразилии для контроля эпидемии вируса Zika, а также на Международной космической станции для анализа штаммов микроорганизмов в режиме реального времени. Компания планирует создать обширную облачную базу данных, информация в которую поступает с мобильных секвенаторов ДНК. Браун намерен «сломить редуты медицинских и страховых компаний, после чего миллионы людей смогут свободно обмениваться генетической информацией, создавая виртуальные рекомбинации и так называемых виртуальных интернет-существ».

Спустя годы ожиданий может показаться, что генетическое сообщество весьма скептически воспринимает перспективы новых технологий. Когда в 2014 году исследователь из Броудовского института предъявил первые общедоступные данные, сгенерированные при помощи оксфордской технологии MinION, аудитория явно не впечатлилась. Однако, пока коллеги с нетерпением дожидались дальнейшего повышения точности и производительности этой технологии, я с восхищением отметил, что теперь, с новой технологией, мы обрели возможность определять генетическиепоследовательности в реальном времени, читая код жизни по обычным флуктуациям тока. Да, предстоит еще долгая работа, но я верю, что эта технология – либо некая ее альтернатива, например работа с искусственными нанопорами, вытравленными на кремниевых пластинах, – будет следующим большим прорывом в секвенировании.

Инга Моралес из Университета Сан-Паулу, охотница за вирусами, закладывает образец в портативный секвенатор ДНК, занимаясь проектом ZiBRA (анализ на бразильский вирус Zika в реальном времени)

В 2010 году в Колд-Спринг-Харборе состоялась конференция по персонализированной геномике, где мы познакомились с молодым человеком по имени Боги Элиазен, у которого были наполеоновские планы: секвенировать геномы всех своих соотечественников. Родом он с небольшого архипелага, численность населения которого всего 50 тысяч человек, и генетической меккой эта территория пока не считается. Я был заинтригован.