Нанопористое устройство поможет секвенировать ДНК и искать вирусы

Однажды нанопоры могут привести к революции в секвенировании ДНК. Двигая молекулы ДНК по одной через крошечные отверстия в тонкой мембране можно расшифровать длинные отрезки ДНК молниеносно.

Ученым пока не известна физика того, как полимерные нити наподобие ДНК взаимодействуют с нанопорами. И вот теперь, с помощью вируса специфического типа, исследователи из университета Брауна пролили свет на физику нанопор.

«Что особенно интересно, так это то, что каждый в данной области изучает ДНК и разрабатывает модели того, как она взаимодействует с нанопорами», сообщил доцент Дерек Штейн. „Но даже основные моменты, которые, как вы надеялись, предскажут модели, задействующие основные свойства ДНК, раскрыть не получается. Единственный выход — исследовать нечто другой, пойти другим путем“.

Результаты, опубликованные в издании Nature Communications, могут не только помочь в разработке нанопористого устройства для секвенирования ДНК, но и привести к новому методу обнаружения опасных патогенов.

Определение физической природы

Концепция, лежащая в основе нанопористого секвенирования, довольно проста. В мембране проделывается отверстие диаметром всего несколько миллиардных долей метра. Мембрана разделяет два резервуара с соленой водой. Через систему проводится электрический ток, в результате чего заряженная нить ДНК фиксируется и проводится через пору. Этот феномен назван транслокацией. Когда молекула перемещается, она вызывает явные изменения электрического тока в поре. Тщательно присмотревшись к этим изменениям тока, ученые могут суметь отличить отдельные нуклеотиды (A, C, G и T), кодированные в молекулах ДНК.

Первые коммерческие нанопористые секвенаторы могут появиться не раньше, чем через несколько лет, но, несмотря на прогресс в данной области, удивительно мало известно о физических основах взаимодействия полимеров с нанопорами. Отчасти дело обстоит так из-за сложностей изучения ДНК. В растворе молекулы ДНК формируют шары из рандомных загогулин, что чрезвычайно усложняет понимание их физического поведения.

Например, недостаточно хорошо поняты факторы, определяющие скорость транслокации ДНК. Иногда молекулы просачиваются через поры быстро, а в другое время скользят медленно, и никто не знает, почему так происходит.

Одно возможное объяснение заключается в том, что волнистая конфигурация ДНК приводит к тому, что каждая молекула вызывает различное сопротивление, когда протягивается в воде через пору.

«Если бы молекула рядом с порой сминалась, она проделывала бы свой путь через пору быстрее, и чувствовала бы меньше сопротивления», сообщил ведущий автор Ангус Макмаллен. „Но если бы молекула растягивалась, то через пору она проходила бы во всю длину, в результате чего процесс становился бы более длительным“.

Эффект волочения экспериментально воспроизвести с помощью ДНК невозможно. Зато, как установили ученые, можно использовать вместо ДНК вирус.

fd-вирусИсследователи решили применить безвредный вирус fd, который инфицирует бактерию e. coli. Два качества делают этот вирус идеальным кандидатом на исследование с нанопорами. Во-первых, все fd-вирусы являются идентичными клонами друг друга. Во-вторых, в отличие от волнистой ДНК, fd-вирус — жесткая молекула, похожая на прут. Поскольку вирус не закручивается, как ДНК, эффект волочения каждый раз будет одним и тем же.

Устранив волочение как источник различий скорости транслокации, исследователи ожидали, что единственным источником этих различий будет эффект теплового движения. Крошечные молекулы вирус постоянно противодействуют молекулам воды, в которую они погружены. Несколько случайных тепловых стимулов с тыла способны ускорить прохождение вируса через пору, а несколько стимулов спереди — замедлить.

Эксперименты показали, что тепловое движение объясняет лишь большую часть различий в скорости транслокации, а не все без исключения. К удивлению ученых, они обнаружили другой источник изменений, которые увеличились, кода напряжение через пору возросло.

«Мы полагали, что физика процесса будет совершенно прозрачной», сказал доцент физики и инжиниринга Джей Тонг. „Вирус с жесткой структурой и определенным диаметром позволяет ожидать совершенно четкий сигнал. Однако мы обнаружили лишь частично объяснимую физику“.

Исследователи не могут сказать наверняка, что именно вызывает наблюдаемое изменение, но у них есть ряд идей.

«Было предсказано, что в зависимости от местоположения объекта в поре можно тянуть его сильнее или слабее», сказал Макмаллен. „Если объект расположен в центре поры, он протягивается чуть слабее, чем если бы он был у самого края. Это было предсказано, но не подтверждено экспериментально“.

На пути к созданию нанопористого секвенатора

Лучшее понимание скорости транслокации способно улучшить точность нанопористого секвенирования, отметил Макмаллен. Также это может помочь в измерении длины нитей ДНК.

«Если можно предсказать скорость транслокации, то удастся вычислить длину ДНК из того, насколько долгим был процесс транслокации», заявил ученый.

Исследование также помогло выявить другие аспекты процесса транслокации, что может оказаться полезным в разработке устройств будущего. Исследование показало, что электрический ток обычно сначала выравнивает вирусы головкой к поре, однако в случаях, когда вирусы не выровнены в линию, они подпрыгивают у края поры, пока тепловое движение не выровняет их. Если напряжение становится слишком высоким, тепловые эффекты подавляются, и вирус удерживается у мембраны. Это предполагает наличие зоны наилучшего восприятия в напряжении, когда перемещение головой вперед является наиболее вероятным.

Ни один из эффектов нельзя увидеть напрямую, поскольку система слишком мала. Однако ученым удалось установить происходящее, наблюдая изменения, которые происходят в потоке через пору.

«Кода вирусам не удается пройти через пору, они вьются вокруг, и мы можем видеть это возмущение в потоке», сказал Штейн. „С этими возмущениями мы начинаем понимать, что делает молекула, прежде чем пройти через пору“.

С ДНК подобный эксперимент не удался бы, поскольку через пору она может проходить в свернутом состоянии. Вирус же слишком жесткий, чтобы сворачиваться, что позволило ученым изолировать и наблюдать его динамику.

Работа может оказаться полезной не только в понимании физики процесса. В то время как сам fd-вирус безопасен, бактерии, зараженные им, остаются патогенами. На основе данной работы ученые смогут создать нанопористое устройство для обнаружения наличия fd и бактерии. Кроме того, есть и другие вирусы с похожей жесткой структурой, например, вирус Эбола и вирус Марбурга.

«Метод может оказаться простым способом выявления этих вирусов», добавил в заключение Тонг.

17.06.2014




Нано



Ученые придумали, как усилить свойства композитовУченые придумали, как усилить свойства композитов

Материаловеды из политехнического институ...

Носимую электронику больше не будут клеить на тканьНосимую электронику больше не будут клеить на тка...

Стремление создать доступную, прочную и м...

Поляризованный свет необычно влияет на золотые наночастицыПоляризованный свет необычно влияет на золотые на...

Ученые из университета Райса в ходе ...

Светящиеся растения из Аватара появятся на ЗемлеСветящиеся растения из Аватара появятся на Земле

Все помнят эти удивительные люминесцентны...

Создан нанолазер, который меняет цвет как хамелеонСоздан нанолазер, который меняет цвет как хамелео

Новинка позволит продвинуться в области г...

Разработана искусственная кожа на основе графенаРазработана искусственная кожа на основе графена

Исследователям из Университета Глазго уда...

Печатные электронные устройства сделают вечнымиПечатные электронные устройства сделают вечными

Группа инженеров из Калифорнийского униве...

Графен поможет выращивать уникальные двумерные полупроводникиГрафен поможет выращивать уникальные двумерные по...

Новый метод производства позволит получать дву

Молекулы Лего помогли ученым усовершенствовать ультразвукМолекулы Лего помогли ученым усовершенствовать ул...

Во всем мире ультразвуковая визуализация приме...

Эффективность не измеряется измерениямиЭффективность не измеряется измерениями

В это сложно поверить, но не вс...

Самосборку нанокристаллов можно увидеть вживуюСамосборку нанокристаллов можно увидеть вживую

Превращение простых коллоидных частиц &md...

Самое маленькое в мире радио вибрирует в унисон с волнойСамое маленькое в мире радио вибрирует в унисон с...

Физики из Калифорнийского университета в&...

Создан очень гибкий и эластичный материал из нанотрубокСоздан очень гибкий и эластичный материал из нано...

Китайские ученые создали инновационный материа...

Покрытие из нанолент защитит самолеты от наледи и молнийПокрытие из нанолент защитит самолеты от наледи и...

Тонкое покрытие, состоящее из нанолент гр...

Теплопроводностью можно управлять с помощью наноструктурТеплопроводностью можно управлять с помощью нанос...

Теплопроводность — знакомое каждому...

Белый графен поможет раскрыть потенциал черного графенаБелый графен поможет раскрыть потенциал черного г...

Изготовление идеального монослоя так назы...

Создана наносубмарина с ультрафиолетовым приводомСоздана наносубмарина с ультрафиолетовым приводом

Наносубмарины хотя и не совсем готов...

Для повышения предела чувствительности спектроскопии ученые смяли наночастицыДля повышения предела чувствительности спектроско...

Увеличив площадь поверхности графен-золотых на...

Казанские ученые представили нанокомпозит исключительно для наружного примененияКазанские ученые представили нанокомпозит исключи...

Публикация исследователей из Казани и&nbs...

Генераторы углеродных нанотрубок давно среди насГенераторы углеродных нанотрубок давно среди нас

Ученые предположили, что, возможно, автомобили...

Доказана возможность использования наноколец в солнечных батареяхДоказана возможность использования наноколец в со...

Когда Рамеш Джасти начал изготавливать крошечн...

Созданы моторчики, которые заводятся от обычного светаСозданы моторчики, которые заводятся от обычного ...

Удивительно, но это факт: чтобы акти...

Совершен прорыв в области левитирования нанообъектовСовершен прорыв в области левитирования нанообъек...

Исследователи из Рочестера впервые добили

Открыт синтез нового наноматериалаОткрыт синтез нового наноматериала

Сотрудники технического университета Луизианы ...

Как наноцентр помогает ученым улучшать мирКак наноцентр помогает ученым улучшать мир

Вот уже год Центр нанотехнологий Рес...

Ученые намерены масштабировать производство диэлектриков для хранения энергииУченые намерены масштабировать производство диэле...

Простые в изготовлении, дешевые, легкие, ...

Покрытые графеном конденсоры увеличивают эффективность электростанцийПокрытые графеном конденсоры увеличивают эффектив...

Большинство электростанций в мире, работа...

Впервые точно измерены взаимодействия атомов и углеродных поверхностейВпервые точно измерены взаимодействия атомов и уг...

Физики из университета Вашингтона провели...

Материалы со сменой фазы подразумевают обширный спектр примененияМатериалы со сменой фазы подразумевают обширный с...

Ученые из Брукхэйвенской национальной лаб...

Поиск на сайте

Магазин

  
Silicon Power Slim S55 120GB (SP120GBSS3S55S25) SSD-накопитель4290.00 руб.

Знатоки клуба инноваций



ТОП - Новости мира, инновации

Спасти Тасманского ДьяволаСпасти Тасманского Дьявола
Мастерские инноваций открылись в Казани на три дняМастерские инноваций открылись в Казани на три дня
Наземные беспилотные роботы: будущее или настоящее?Наземные беспилотные роботы: будущее или настоящее?
Достаточно ли часа зарядки для нормального веса?Достаточно ли часа зарядки для нормального веса?
Незнание языков – не помеха для успехаНезнание языков – не помеха для успеха
Инвестиции в инновации: инертность преодоленаИнвестиции в инновации: инертность преодолена
Новости науки в массы следует нести в упрощенном форматеНовости науки в массы следует нести в упрощенном форма
В Татарстане на базе КФУ открылся инновационный центр Cisco. На очереди еще одинВ Татарстане на базе КФУ открылся инновационный центр
«Загадочный для многих медийщиков ресурс» снова в строю«Загадочный для многих медийщиков ресурс» снова в стро
Британский ученый выяснил, кому реже одобряют кредитБританский ученый выяснил, кому реже одобряют кредит
Исследована галактика с активным формирование звездИсследована галактика с активным формирование звезд
Классическая музыка полезна для новорожденныхКлассическая музыка полезна для новорожденных
Шизофреники непредсказуемы и способны на убийствоШизофреники непредсказуемы и способны на убийство
Щепотка калия позволит лучше сохранять водородЩепотка калия позволит лучше сохранять водород
Солнечная угроза наталкивает на мысли о переселении на МарсСолнечная угроза наталкивает на мысли о переселении на

Новости компаний, релизы

«Тез Тур» и его путевки«Тез Тур» и его путевки
Что собой представляет банковский вклад в России?Что собой представляет банковский вклад в России?
Как выбрать диван для гостиной: полезные советы от МобиликазаКак выбрать диван для гостиной: полезные советы от Моб
Как пополнить счет в Париматч Россия — основные моментыКак пополнить счет в Париматч Россия — основные момент
Четыре способа не выдохнуться при поиске работыЧетыре способа не выдохнуться при поиске работы