Исследователи из компании IBM создали новый чип, который
может стать основой для создания быстрого и недорогого анализатора личного
генетического набора для любого человека. Расшифровка кода ДНК с помощью этого
чипа предусматривает проделывание нанометровых отверстий в кремниевых
пластинах, а затем нити ДНК протягиваются через эти отверстия для считывания
информации, записанной в генетическом коде.
По словам одного из авторов, Густаво Столовицки (Gustavo
Stolovitzky), новый ДНК-секвенсор стал результатом объединения вычислительной
биологии с нанотехнологиями. Возможность расшифровки полного генетического кода
это путь к новым медико-биологическим открытиям и индивидуальной медицине
на основании генетической информации врач сможет определить склонность
человека к определенным заболеваниям и назначить индивидуальное лечение.
Расшифровка человеческого генома дешевле 1000 долларов США
давно стала «священным граалем» биологов. Первый эксперимент по расшифровке
генома обошелся в 3 миллиарда долларов и завершился только в 2003 г. С тех пор стоимость такой услуги несколько снизилась – исследователь из Стэнфордского
университета Стивен Куэйк (Stephen Quake) представил собственную установку Heliscope
Single Molecule Sequencer, которая может извлечь полный код ДНК клиента за 4
недели и 1 миллион долларов. Существуют также ряд компании вроде 23&me, которые
предлагают ДНК-тестирование намного дешевле, но они проводят только частичное
сканирование, определяя маркеры отдельных заболеваний и генетических
особенностей. Из-за дороговизны на сегодняшний день полную карту ДНК во всем
мире получили всего семь человек. Персональный ДНК-сканер от IBM может
существенно расширить этот круг.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) содержит в своих
молекулах инструкции, которые нужны организму для развития, выживания и
размножения. Весь набор инструкций в генетическом коде записывается в одной
молекуле белка. У человека полный генетический набор (геном) состоит из примерно
20'000 генов на 23 парах хромосом. Для исследования этих генов исследователи из
IBM решили использовать современную технологию производства микросхем. В
качестве основы они взяли 200-миллиметровую кремниевую пластину (так называемую
«вафлю» - заготовку для производства процессоров, чипов памяти и др.), а затем
просверлили в ней отверстия («нанопоры») диаметром около 3 нм – это более чем в
30’000 меньше толщины человеческого волоса.
Главная задача, которую приходится сейчас решать авторам
ДНК-секвенсора, это контроль скорости прохождения нитей ДНК через нанопоры.
Чтобы управлять скоростью протяжки, исследователи создали специальное
устройство с многослойной структурой из металлических и диэлектрических слоев.
Нанопора находится в окружении этой структуры, а модулированное магнитное поле
между металлическими слоями удерживает молекулу ДНК в нанопоре. После легкой
ионизации молекулы исследователи получили возможность двигать нить ДНК,
применив небольшое напряжение для «вентилей». Чередуя подачу и отключение
напряжения на «вентилях», можно двигать нить ДНК со строго определенной
скоростью – в идеале эта скорость должна составлять один нуклеотид за один
цикл. Авторы не сообщили точную скорость продвижения ДНК через считыватель, но
заявили, что полнофункциональное устройство сможет прочитать полный
генетический код за «несколько часов». Самое интересное, что на одном чипе
можно разместить сразу несколько параллельно работающих нанопор, которые
образуют полноценный генетический анализатор с контролем ошибок и.т.д.
Несмотря на столь полную теоретическую разработку
устройства, изготовление первого рабочего прототипа может занять еще до трех
лет. Сейчас исследователи еще не довели до рабочего состояния механизм точного
управления скоростью протяжки. Кроме того, до сих пор не готов механизм
считывания нуклеотидов. В принципе, единственным способом такого считывания
информации из отдельных нуклеотидов является измерение их электрических
характеристик, таких как емкость и проводимость. Точное измерение
электрических свойств нуклеотида позволит точно определить, какие именно пары
основ ДНК составляют считываемый блок.
Подробнее о механизме, который уже в ближайшем будущем
позволит любому человеку на Земле расшифровать свой полный генетический код за
доступную плату, можно прочитать в статье на сайте Wired.
Дополнительную информацию о новой разработке IBM и конкурирующих системах можно
найти в статьях на сайтах BBC и New
York Times.
|
