Химики МГУ выяснили реальные возможности нанопорового секвенирования

Сотрудники кафедры физической химии и кафедры химии природных соединений химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова изучили возможности нанопорового секвенирования – нового метода определения нуклеотидных последовательностей. Метод быстро развивается и в ряде случаев вполне может заменить обычное секвенирование. Авторы выяснили, какими должны быть параметры изучаемого образца и какие программы можно использовать для получения достоверных результатов. Исследование сделано в рамках национального проекта «Наука и университеты». Работа опубликована в издании International Journal of Molecular Sciences.

Секвенирование – это способ установить последовательность нуклеотидов в молекуле, который позволяет решать разнообразные задачи по определению генома. Например, с помощью данного метода исследуют болезни, чтобы определить мутации, произошедшие в ДНК. Способ также помогает отслеживать генетические изменения в бактериях, вызывающие устойчивость к антибиотикам. Нанопоровое секвенирование – это новый активно развивающийся метод на рынке биотехнологий. В отличие от ставшего уже стандартным секвенирования, с помощью нанопорового метода можно прочитать длинные цепочки, которые содержат тысячи нуклеотидных оснований.

«Поскольку для нас этот метод тоже был новым, мы хотели систематически изучить его реальные возможности, – рассказала соавтор исследования, профессор кафедры физической химии химфака МГУ Мария Хренова. – Особенно нас интересовала сборка генома без референсной последовательности. Когда есть геном сравнения, то все просто – результаты секвенирования накладываются на него, можно сравнить их и заметить, где в геноме произошли изменения. Для этого достаточно меньшего набора данных и меньше требования к качеству образца. Когда образца сравнения нет, мы имеем только набор прочитанных с разной степенью достоверности нуклеотидов. Похожие последовательности накладываются, и при их частичном совпадении в разных цепочках можно сделать вывод о составе последовательности в целом. Прочитанные участки должны быть достаточно большими для достоверного определения – здесь и проявляют себя достоинства нанопорового секвенирования».

Внутри прибора для нанопорового секвенирования находится мембрана, куда вставлены белки. Они формируют поры, через которые движутся ионы и секвенируемая молекула при приложении напряжения. Когда через пору проходит цепочка, то каждый нуклеотид частично перекрывает пору, что влияет на движение ионов, а значит, и на величину тока. Поскольку объем у каждого нуклеотида различный, то и ток будет меняться по-разному. Изучая это изменение, можно понять, какие нуклеотиды прошли через пору и таким способом восстановить их последовательность в цепочке. 

Для системного изучения возможностей нанопорового секвенирования авторы выяснили, как должен быть устроен образец для сборки генома, какими должны быть длины цепочек и количество прочитанных оснований. Авторы изучали реальные образцы, генерировали разные наборы данных и сравнивали несколько программ для их анализа.

«В результате мы выработали рекомендации, которым точно можно верить, – рассказала Мария Хренова. – Это очень важно для всех дальнейших исследований. Оказалось, у метода достаточно много возможностей, он является в высокой степени универсальным».

Исследование выполнено в рамках проекта «Анализ микробиомов растений и беспозвоночных животных экстремальных мест обитания с целью разработки штаммов-продуцентов новых метаболитов и ферментов», поддержанного Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках гранта № 075-15-2021-1396.

Источник: ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»