Российские ученые разработали устройство, которое ускорит полную расшифровку генома с нескольких недель до нескольких дней. Это секвенатор последнего, третьего поколения — он может прочитать наследственную информацию в отдельно взятой молекуле ДНК и делает это более длинными отрезками. Аналогичные разработки сейчас есть только в США и Великобритании. Благодаря новой технологии можно будет наблюдать за биологическими процессами не только в тканях или органах, но и в отдельной клетке, объясняют эксперты. Это позволит лучше понять механизмы развития наследственных и онкологических болезней.
Устройство третьего поколения
Первый отечественный прибор для расшифровки геномов (секвенатор) последнего, третьего поколения разработали специалисты Института аналитического приборостроения (ИАП) РАН вместе с коллегами из Института спектроскопии РАН и компании «Синтол» при финансовой поддержке Минобрнауки РФ.
В настоящее время опытный образец изобретения проходит тестовую эксплуатацию. Создатели следят за тем, как работает секвенатор, фиксируют и исправляют ошибки, готовят его к серийному производству. По их оценкам, чтобы удовлетворить потребности российских исследователей, необходимо произвести около 100 таких приборов.
Кроме того, используемые сейчас приборы читают всю длинную цепочку небольшими участками до 250 символов, соответствующих одной из четырех разновидностей нуклеотидов. С помощью этих веществ кодируется вся наследственная информация в организме. Например, геном человека состоит из нескольких миллиардов таких «букв». Новая разработка читает их целыми «предложениями» из 15−20 тыс. символов. Благодаря этому в геномной последовательности становятся видны перестановки и повторы (они часто возникают, например, при раковых заболеваниях), а расшифровка проводится значительно быстрее и точнее.
— Секвенаторы третьего поколения, или, как еще их называют, одномолекулярные, производят только в США и Великобритании. Мы взяли за основу американский прибор, но реализовали свою собственную оригинальную технологию. За счет чтения более длинных участков она значительно упрощает сборку «пазла» генома целиком и позволяет отслеживать геномные перестройки, что важно для медицины. На мой взгляд, это даже не эволюционный, а революционный скачок в технологиях, — сказал заместитель директора по научной работе ИАП РАН Антон Букатин.
Молекулы ДНК очень малы, и «читать» их напрямую с помощью существующих технологий невозможно. Однако при делении клетки все молекулы ДНК удваиваются, чтобы каждая клетка получила свою копию всех генов. За это отвечает особый фермент — полимераза. Секвенатор при помощи содержащих светящийся пигмент красителей «подсматривает» за тем, какие нуклеотиды встраиваются полимеразой при копировании генома. В новом устройстве для этого используется более чувствительная оптическая система и новые химические реагенты, что позволяет рассмотреть наследственную информацию отдельной молекулы.
По расчетам разработчиков серийный выпуск приборов должен начаться в 2026—2027 годах. В основном его делают из российских комплектующих, однако несколько компонентов импортные. В ближайшее время ученые намерены заменить их на отечественные. Создатели рассматривают возможность поставки своего изобретения в дружественные страны.
Разглядеть клетку
Одномолекулярные секвенаторы дают очень высокую скорость чтения наследственной информации. Расшифровка генома вместо нескольких недель теперь будет занимать несколько дней и делаться с высокой точностью. Необходимо, чтобы точность достигала 99% и выше, пояснил «Известиям» ведущий научный сотрудник Института спектроскопии Павел Мелентьев.
— Для создания российского одномолекулярного секвенатора нужно было в сжатые сроки, за 2,5 года, разработать оригинальные оптические технологии. В итоге нам удалось создать оптический детектор, который стал частью большого приборного комплекса. Технология включает в себя нанооптику. Это взаимодействие света с одиночными молекулами в наноразмерных системах. А оно всегда связано с различными сложностями, — сказал Павел Мелентьев.
Набор реагентов для устройства разработали в компании «Синтол».
— Реагенты включают в себя несколько ключевых компонентов, которые позволяют проводить одномолекулярное секвенирование. Эти вещества воссоздают молекулярные механизмы, протекающие в живых клеточных системах. В их числе ДНК-полимеразы, флуоресцентно-меченые субстраты, которые при включении детектирует прибор, и многие другие. Мы обеспечили всю эту необходимую химию и биологию, — сказал научный директор компании «Синтол» Яков Алексеев.
Секвенирование длинных отрезков единичных молекул ДНК позволит лучше понимать патогенез, то есть реальные причины и механизмы развития наследственных и онкологических заболеваний. Ученые получат не средневзвешенный анализ ДНК организма или ткани, а реальную оценку мутаций в конкретной клетке, пояснил «Известиям» научный сотрудник Института иммунологии и физиологии Уральского отделения РАН Михаил Болков.
— Это значит, что можно будет понять работу клетки в тех или иных условиях на генном и молекулярном уровне. Какой ген выключается, какой включается, какие формы РНК образуются и так далее, — сказал Михаил Болков.
Также технология позволит правильно собирать геномы организмов, которые еще не расшифрованы. А это тысячи бактерий, вирусов, животных и рыб. Это особенно сложная работа, так как у ученых нет образца, как правильно выстроить мозаику из тех участков ДНК, которые они прочитали, добавил эксперт.
