http://www.nanonewsnet.ru/articles/2006/bystrye-sekvenatory-pozvolyat-poluchat-informatsiyu-o-dnk-patsienta-pryamo-v-bolnitse

Быстрые секвенаторы позволят получать информацию о ДНК пациента прямо в больнице

     Модель ДНК, проходящей через нано-секвенатор

Ученые из Калифорнийского университета, Сан-Диего (UCSD ), изобрели технику быстрого секвенирования ДНК с помощью нанопор. Как утверждают ученые, это поможет ускорить появление геномной медицины, направленной на лечение генетических болезней отдельно взятого человека, исходя из его дефектов в ДНК.

В статье, опубликованной в апрельском выпуске Nano Letters, описывается метод секвенации человеческого генома, занимающий несколько часов. При этом устройство для секвенации на основе нанопор будет недорогим, его смогут приобрести практически любые медицинские учреждения. Сам метод состоит в изменении электрического потенциала при прохождении ДНК через нанопору.

Секвенация ДНК отдельно взятого человека с помощью современной техники займет несколько месяцев и будет стоить миллионы долларов, что, естественно, не позволяет детально исследовать геном пациентов и на его основе лечить генетические болезни. Если же появится устройство быстрого секвенирования, то анализ ДНК может вполне быть обычной клинической процедурой, как, например, анализ крови. Естественно, подобная практика совершит революцию в медицине.

«Одно из потенциальных применений ДНК-нанопоры – в диагностике генетических заболеваний. Мы можем оснастить канал различными протеинами, которые при взаимодействии с ДНК, находящейся в нем, будут изменять силу протягивания биомолекулы. По величине этой силы можно говорить о каких-либо отклонениях от нормы в молекуле и, соответственно, выделять ее поврежденные участки. Возможно, что таким образом можно будет лечить различные генетические заболевания», – говорит Максимилиано Ди Вентра, профессор физики при UCSD.

Рис. 1. Модель ДНК, находящейся в нано-секвенаторе

Ди Вентра и его коллеги перед началом работы над нано-секвенаторами провели предварительное математическое моделирование электрических флюктуаций различных оснований ДНК (аденина, цитозина, гуанина и тимина). Далее они провели комплексный расчет наноструктуры, состоящей из нанопоры (находящейся в подложке из нитрида кремния) диаметром 1 нанометр, которую окружают золотые электроды и молекулы ДНК, находящейся непосредственно в канале нанопоры.

Результаты показали, что каждая пара оснований ДНК имеет свою неповторимую электрическую «подпись», которую можно идентифицировать, приложив напряжение на золотые электроды нанопоры в то время, как ДНК будет находиться в ней. По

Предыдущие попытки создать подобный секвенатор (учеными из Иллинойского университета, например, которые создали полноценный ДНК-чип) не увенчались успехом из-за высокого уровня шума сигналов, полученных от ДНК. Шум, в свою очередь, был вызван изгибом и скручиванием молекулы в нанопоре из-за высокого приложенного напряжения.

В новом типе секвенатора ученые так скоординировали электроды, что электрический ток проходит не вдоль ДНК, а поперек, что заметно снижает электродинамические флюктуации молекулы и, поэтому, позволяет снизить паразитный шум к минимуму.

«Мы разрабатывали устройство, способное записывать последовательности нуклеотидов ДНК по мере того, как биомолекула проходит через тонкую пору в специальной мембране из нитрида кремния, – продолжает объяснять Ди Вентра. – Чем меньше диаметр нанопоры, тем точнее мы можем управлять положением в ней молекулы, и, соответственно, наши шансы на прочтение последовательности нуклеотидов увеличиваются. Однако ДНК не хочет, чтобы ее секвенировали, поэтому флюктуации будут все время повторяться по мере того, как молекулу будут протягивать через нанопору. А измеренный ток не дает полной информации о том, какая из баз находится на каком месте. Но нам удалось упорядочить процесс "протаскивания» ДНК через пору, этим мы избавили себя от необходимости точно идентифицировать базы – мы просто записываем их точную последовательность".

Конечно, изготовить массово наносеквенаторы пока очень трудно – нанопоры такого размера и золотые электроды ученые изготавливали «вручную» долгое время. Но они не сомневаются в том, что вскоре технология массового производства матриц с нанопорами будет налажена, и врачи получат бесценный инструмент для лечения генетических заболеваний. «Быстрый секвенатор» может быть доступен любым здравоохранительным учреждениям, так как стоимость у готового устройства будет невелика.

«Предложенный нами метод секвенирования ДНК получает информацию о биомолекуле с гораздо меньшим количеством ошибок. Например, метод Сангера, которым пользовались ранее, не дает такой точности».

Работа ученых поддержана Национальным Научным обществом, Национальным Институтом Геномики и Национальным Институтом Здоровья США.

Ранее, в 2004 Национальным Научным обществом США была запущена программа по исследованию альтернативных недорогих методов секвенирования ДНК, которые позволят получить полную информацию о геноме человека всего за $1000. Как говорят коллеги калифорнийских ученых, они сделали большой шаг навстречу этой цели.

“Мы выбрали новый подход для решения этой проблемы, – говорит Ди Вентра. – Для нас ДНК-набора атомов, которые необходимо проанализировать. И у нас получилось это сделать".

Изображение скелета молекулы пентацена с атомарным разрешением

 Чудеса и ужасы нанотехнологий

Журнал Nature Nanotechnology опубликовал поразительные результаты опроса около 400 крупнейших ученых мира. Оказалось, что они, с воодушевлением говорят о наступлении наноэры, все же признаются, что боятся нанотехнологий и генную инженерию больше, чем простые обыватели. Мол, воздействие на организмы людей и окружающую среду новых технологий видится им — ученым — совершенно непредсказуемым. И пугают гораздо больше, чем в свое время ядерная энергия и генетическая модификация продуктов. Так чего же ждать от этого «нано» — рая или ада?

ВСЕ ИЗ НИЧЕГО

Вообразите себе мир, в котором человек не будет иметь возраста и никогда ничем не болеть, где дома будут сами себя чистить, ремонтировать, освещать, нагревать и где даже деньги потеряют свою ценность, потому что каждый сможет иметь все, что пожелает.
И, как нас уверяют, все это произойдет благодаря нанотехнологиям. Для того чтобы представить, с чем работают нанотехнологи, надо обычный волосок мысленно поделить вдоль на сорок тысяч частей, и тогда каждая часть будет равна одному нанометру или одной миллиардной доли метра. Переход от микро к нано дал возможность ученым манипулировать атомами. А поскольку любой материальный предмет — это всего лишь скопление атомов в пространстве, то, перетасовав их, как карты, можно собрать любой предмет. Представьте прибор размером с микроволновую печь, в который с одной стороны подается порция сырья, а с другой — вы получаете то, что заказали, — от скрепки до компьютера. Мало того, появятся микроскопические механизмы, способные к самокопированию. Например, если вы захотели автомобиль, то стоит только в этот наномеханизм заложить параметры конструкции, как он тотчас начинает копировать сам себя до тех пор, пока не достигнет желаемого размера машины, которая вырастет на ваших глазах, как в ускоренной съемке эмбрион в матке.

— Первые наномашины, конечно, будут баснословно дороги, — говорит старший научный сотрудник Института нанотехнологий Николай Смирнов. — Но через очень короткий промежуток времени они станут доступны любому. Такое уже происходило с телефонами, телевизорами и компьютерами. Но отличие нанотехнологий от предыдущих изобретений несравнимо ни с чем. Промышленное производство станет первой жертвой, поскольку в нем сразу отпадет необходимость. Торговля останется только в виде таких специфических товаров, как информация и проекты. Ведь не продашь же стиральную машину человеку, который сам может ее «вырастить» буквально за несколько минут.

Вследствие этого изменится и вся человеческая цивилизация. Ведь сегодня мы находимся в такой же зависимости от вещей и еды, как и 5000 лет назад. В будущем же человек откажется от этого «пошлого быта» и займется наконец собой, любимым, и творчеством. Последствия такой перестройки общества сегодня трудно представить. Исчезнет воровство, например, поскольку материальное обогащение потеряет всякий смысл — останутся преступления лишь на почве неразделенной любви, поскольку до этой тонкой материи генетики еще не добрались. Поэтому возникнет вопрос об уместности — страшно сказать — существования армии, полиции, правительства и даже самого института государства!

«ПАТРУЛЬ» ТЕЛА

— А в середине нынешнего столетия, когда нанотехнология и генная инженерия объединятся, станет возможным воплощение мечты человечества — вечная молодость, — уверен Николай Александрович. — Созданные и внедренные внутрь тела сразу после рождения ребенка микроскопические наномашины будут контролировать состояние организма в течение всей жизни. Представьте, что внутри вашего тела постоянно «патрулируют» невидимые глазу «доктора», которые через кровь и лимфу автоматически очищают организм от излишков жира, токсинов, холестерина. При малейшей опасности они быстро разрабатывают систему ремонта и восстанавливают поврежденные органы, ткани, клетки на атомном и молекулярном уровне. И тогда будут побеждены все наследственные болезни, что, возможно, и приведет к бессмертию.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭМБРИОНОВ

Клонирование человека — это самый спорный вопрос из всех обсуждаемых генетиками сегодня с этической точки зрения. Овечка Долли надежды не оправдала: она умерла больной. Но технология производства клонов тихо и незаметно развивается, и вполне возможно, что вскоре появятся и первые человеческие клоны, и первые клонированные органы, которые, однако, пока будут доступны только избранным.

Остальные же будут довольствоваться не менее изысканным «блюдом» от генетики: моделированием эмбрионов. Родители смогут сами выбирать внешность, характер и способности своего будущего ребенка, правда, наличия гениальности ученые не обещают. Сегодня это считается одним из самых перспективных и самых пугающих направлений генетики: многие ли родители согласятся на «конструирование» своего чада? Ведь генетически спроектированных детишек трудно будет назвать своими кровными наследниками: ребенок наследует от отца с матерью почти 90% генов, а дети будущего станут скорее детьми генетики, чем своих родителей.

НА МАРСЕ БУДУТ ЖИТЬ СУПЕРЛЮДИ

Нанотехнологи и генетики сегодня трудятся и над космическим проектом: как обжить Вселенную? Если раньше разрабатывали проекты, как преобразовать другие планеты в пригодные для человеческого проживания, то сегодня они поставили задачу по-другому: как изменить человека так, чтобы он мог жить в других мирах? Ведь это намного проще, чем переделать целую планету. Стоит только модернизировать конструкцию собственного тела — и любой желающий сможет жить на Марсе или Луне. Тогда и определение «человечество» в корне изменится: на Земле тоже появятся новые живые существа, имевшие своим предком человека, как мы — кроманьонца.

МНЕНИЯ СКЕПТИКОВ

Профессор Евгений АБРАМЯН, сотрудник Новосибирского технического университета:

— Представим себе, что в устройстве, предназначенном для разборки промышленных отходов до атомов, произойдет сбой, и оно начнет уничтожать полезные вещества биосферы, обеспечивающие жизнь людей.

При этом самым неприятным может оказаться то, что это будут нанороботы, способные к самовоспроизводству (саморепликации, размножению).

Как видите, нанороботы, вышедшие из-под контроля, могут стать оружием массового поражения.

Билл ДЖОЙ, один из основателей компании Sun Microsystems:

— Поскольку нанороботы должны воспроизводить себя сами, то процесс может выйти из-под контроля человека. И тогда «вольные» нанорабы могут начать хаотически размножаться. Подпитываясь солнечной энергией, мириады невидимых повстанцев смогут «переделывать» все подряд в своих новых собратьев. В конце концов земной шар вместе со всем на нем находящимся превратится в громадную каплю серой слизи.

Профессор кафедры науки и инженерии университета штата Массачусетс Томас МАККАРТИ, автор книги «Война в эпоху невидимых машин»:

— Нанотехнологии не только сделают средства уничтожения супермикроскопических размеров, но и миниатюризируют средства их производства. В итоге — полное истребление населения враждебного государства, геноцид. При этом генная инженерия поможет победителям стать бессмертными.

ВМЕСТО ПОСЛЕСЛОВИЯ

Для предотвращения нанокатастроф в США в 2002 году был создан специальный центр. Сейчас он лоббирует вопрос о создании всемирной надзорной организации. Считает, что ей пора появиться, и называет 2020 год переломным в истории человечества и началом наноэры.