Протащить ДНК сквозь нанопору

Слой нитрида кремния с порой, сужающейся в середине, через которую проходит цепь ДНК. Иллюстрация Physorg, ACS

Чуть ли не каждый день приходят сообщения о прочтении очередного генома. Одно из самых последних касалось расшифровки генома лотоса. Закончено и чтение генома фитофторы (Phytophtora infestans), эпифитотия которой вызвала в 1847 году страшный голод в Ирландии, от последствий которого ее население не восстановилось и поныне.

Подобного рода успехи стали возможны только благодаря широкому внедрению геномных машин, использование которых в значительной степени ускорило и удешевило расшифровку последовательностей ДНК. Однако творческая мысль не стоит на месте, тем более что развитие микроэлектроники расширяет перспективы использования новых материалов.

Уже давно известно, что цепи молекулы наследственности, ДНК, могут проходить сквозь небольшие отверстия нанометрового диаметра. Еще три года назад было выдвинуто предложение использовать для молекулярного «сита» новомодный тогда графен. Однако он оказался не слишком подходящим для решения поставленной молекулярными биологами задачи (графен гидрофобен, то есть отталкивает воду, а ДНК для анализа присутствует в воде).

Вот почему с таким интересом встречено новое сообщение, пришедшее из Пенсильванского университета в Филадельфии и Колумбийского в Нью-Йорке (в последнем работал Томас Морган, еще в 1916 году опубликовавший книгу «Хромосомная теория наследственности», молекулярной природы которой он, естественно, не знал).

Суть нового устройства заключается в измерении ничтожных различий в транслокации «букв» ген-кода (нуклеотидов и их азотистых оснований) при прохождении цепи ДНК сквозь пору. Дело в том, что движение цепи сквозь сужение пористого материала на краткий миг блокирует прохождение активных ионов (ионного тока), что сопровождается уменьшением тока, и этот эффект можно зарегистрировать с помощью чувствительных детекторов. Помимо графена ученые пытались использовать пористые белки и липидные мембраны, однако использование всех этих материалов давало ошибку, достигавшую 20%.

В итоге исследователи пришли все же к использованию твердотельных пористых материалов. В Филадельфии и Нью-Йорке остановились на относительно новом и гидрофильном – «водолюбивом» – нитриде кремния, хорошо зарекомендовавшим себя в микроэлектронике. Пока только этот материал позволяет получать поры, диаметр которых не превышает сечение цепи ДНК, а толщина его слоя чуть больше трех ангстремов (0,3 нанометра). Это позволило быстро и безошибочно определить последовательность трех гомополимеров, то есть последовательности одинаковых «букв» ДНК. «Мы доказали, что поры чувствительны к «буквенному» контенту, – заявил в связи с этим М. Дрндич, руководитель разработки, – и надежность технологии использования пор диаметром 1–2 нанометра, что вдохновляет нас и дает надежду на ее вариабельность при масштабном производстве».

Если новая технология чтения ген-текстов оправдает возлагаемые на нее надежды, то может стать реальностью мечта врача иметь анализ генома или по крайней мере его «подозрительных» участков буквально для каждого пациента. Все помнят недавнее сообщение об операции груди известной американской актрисы Анджелины Джоли, у которой в роду отмечались случаи рака молочной железы. Свое решение женщина приняла на основе анализа одного гена, не имея, конечно же, возможности провести анализ всего генома, при котором могли выявиться «мощные» гены-протекторы, защищающие клетки от злокачественного превращения. Проблема с одним геном заключается также и в том, что он может «выстрелить» в совсем другом органе или ткани, а не только в эпителиальных клетках млечных протоков.

Прочтение же геномов на стадии половых клеток поможет рождению здорового потомства. Сейчас геном каждого ребенка представляется эдакой вещью в себе или даже ящиком Пандоры (вспомним хотя бы о той же прогерии, когда дети становятся похожими на древних старичков и умирают, едва достигнув 15-летнего возраста).