Российские исследователи разработали инновационное устройство, способное значительно ускорить процесс полной расшифровки генома с нескольких недель до всего лишь нескольких дней. Это устройство, известное как секвенатор третьего поколения, обладает способностью анализировать генетическую информацию в отдельной молекуле ДНК и делает это с более длинными участками.
Подобные технологии в настоящее время доступны только в США и Великобритании. С помощью этого нового технологического прорыва можно будет наблюдать за биологическими процессами не только в тканях и органах, но и внутри отдельной клетки, что, по мнению экспертов, представляет собой значительный шаг вперед в области генетических исследований.
Первый отечественный секвенатор последнего поколения был разработан совместно специалистами Института аналитического приборостроения РАН, Института спектроскопии РАН и компании «Синтол» при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. В настоящее время прототип устройства проходит испытания на рабочей площадке.
Создатели внимательно следят за работой секвенатора, выявляют и устраняют возможные ошибки, готовят его к массовому производству. По оценкам специалистов, чтобы удовлетворить потребности российских исследователей, необходимо произвести около 100 таких устройств.
Секвенаторы предыдущих поколений из-за ограниченного разрешения могли анализировать геном только у небольшого количества синхронно работающих молекул. Новое устройство способно в реальном времени анализировать гены отдельной молекулы, что расширяет возможности исследований в области геномики.
Это позволяет изучать наследственность отдельных клеток и получать более точные результаты. Кроме того, устройство способно распознавать все четыре различные разновидности нуклеотидов, что дает дополнительные преимущества в генетических исследованиях.
Российские исследования и разработки в области геномики и биотехнологий продолжают продвигаться вперед, обогащая мировое научное сообщество новыми технологиями и возможностями.
Для кодирования всей наследственной информации в организме используются особые вещества. Например, геном человека состоит из нескольких миллиардов так называемых «букв» генетического кода. Это позволяет выявлять перестановки и повторы в геномной последовательности, что особенно важно при раковых заболеваниях.
Такая структура генома облегчает его расшифровку и делает этот процесс быстрым и точным. Современные технологии, разрабатываемые в СПбПУ, включают в себя секвенаторы третьего поколения, или одномолекулярные секвенаторы, которые в основном производятся в США и Великобритании. Базируясь на американском оборудовании, ученые разработали свою собственную технологию, позволяющую считывать более длинные участки генома, что значительно упрощает сборку полной геномной последовательности и облегчает отслеживание генетических изменений, что является крайне важным для медицины.
Заместитель директора по научной работе ИАП РАН, Антон Букатин, назвал этот подход не эволюционным, а революционным скачком в технологиях. ДНК-молекулы очень мелкие, и прямое их считывание с помощью существующих технологий невозможно. Однако при делении клеток все ДНК-молекулы удваиваются, чтобы каждая новая клетка получила копию генетической информации. Полимераза, особый фермент, отвечает за этот процесс.
Секвенаторы, выявляя используемые полимеразой нуклеотиды при копировании генома, позволяют проследить за этим процессом. Новое устройство использует более чувствительную оптическую систему и инновационные химические реагенты, благодаря чему можно изучить наследственную информацию отдельной молекулы с высокой точностью и детальностью.
Одномолекулярные секвенаторы - это инновационные приборы, которые обеспечивают высокую скорость считывания генетической информации. В основном они создаются из отечественных комплектующих, однако некоторые компоненты могут быть импортными. В ближайшем будущем ученые планируют заменить импортные компоненты на российские, чтобы обеспечить независимость производства. Создатели этих устройств рассматривают возможность экспорта своих изобретений в другие страны.
Павел Мелентьев, ведущий научный сотрудник Института спектроскопии, подчеркнул важность высокой точности считывания наследственной информации, которая должна составлять 99% и выше. Это значительный шаг вперед в области геномики, так как теперь расшифровка генома займет всего несколько дней, вместо нескольких недель, и будет проводиться с высокой точностью.
Российский одномолекулярный секвенатор создавался в условиях строгого временного ограничения - всего 2,5 года, что потребовало разработки уникальных оптических технологий. Этот процесс включал в себя разработку оптического детектора, который стал частью комплекса для секвенирования.
Основой технологии стала нанооптика, которая представляет собой взаимодействие света с отдельными молекулами в наномасштабных системах. Созданный оптический чип с интегральными элементами содержит наноотверстие в центре, где происходят биомолекулярные реакции.
Реагенты, используемые в процессе секвенирования, имеют ключевое значение, так как они воссоздают молекулярные процессы, присущие живым клеткам. Этот подход позволяет проводить одномолекулярное секвенирование с высокой эффективностью и точностью.
Разработка таких инновационных технологий открывает новые перспективы в области медицины и науки, и важно продолжать работу в этом направлении для дальнейших достижений и прогресса в генетике и биотехнологиях.
Среди них значатся ДНК-полимеразы, флуоресцентно-меченые субстраты, которые при включении детектирует прибор, и многие другие элементы.
Яков Алексеев, научный директор компании «Синтол», отметил: «Мы предоставили всю необходимую химию и биологию».
В четыре руки: ДНК-роботы обнаружат вирусы быстрее ПЦР-тестов. Этот метод не требует дорогих реагентов, сложного оборудования и обученного персонала.
Секвенирование длинных отрезков единичных молекул ДНК позволит лучше понимать патогенез, то есть настоящие причины и механизмы развития генетических и онкологических заболеваний. Ученые смогут получать реальную оценку мутаций в конкретной клетке, а не просто средневзвешенный анализ ДНК организма или ткани.
Михаил Болков, научный сотрудник Института иммунологии и физиологии Уральского отделения РАН, пояснил: «Это означает, что можно будет понять работу клетки на генном и молекулярном уровне в различных условиях. Мы сможем определить, какие гены выключаются, а какие включаются, какие формы РНК образуются и так далее».
Эта технология также поможет правильно собирать геномы организмов, которые еще не были расшифрованы. Это касается тысяч бактерий, вирусов, животных и рыб. Это представляет собой особо сложную задачу, поскольку у ученых нет образца того, как правильно составить мозаику из участков ДНК, которые им удалось расшифровать, добавил эксперт.
