A nanopórusos szekvenálás a rendkívül hatékony , harmadik generációs DNS vagy RNS szekvenálási módszerek családja [1] . A módszer több nanométer átmérőjű fehérje, szilárdtest vagy egyéb nukleinsavakra érzékeny pórusok felhasználásán alapul.
A nanopórusos szekvenálás elkerüli a DNS- vagy RNS-minta PCR - amplifikációjának és kémiai jelölésének lépéseit [2] . Ez jelentős előnyt jelent más szekvenálási módszerekkel szemben, amelyek ezen lépések közül legalább egyet alkalmaznak. A módszer lehetőségei közé tartozik a viszonylag olcsó genotipizálás , a nagy mobilitás, a gyors elemzés és az eredmények valós idejű megjelenítése. A módszer alkalmazása vírusos kórokozók gyors kimutatásában [3] , bakteriális rezisztencia nyomon követésében [4] , humán [5] [6] és növényi [7] genom szekvenálásában , haplotipizálásban [8] , Ebola vírus nyomon követésében [9] és egyéb mezőket ismertettük.
1989 -ben kimutatták, hogy a Staphylococcus aureus által szintetizált alfa-toxin csatornákat ( nanopórusokat ) hoz létre egy mesterséges foszfolipid membránban [10] [11] . 1995- ben először javasolták a nanopórusok szekvenálásának ötletét - egy lineáris polimer tulajdonságainak meghatározását, amikor egy membrán pórusán áthúzzák. Egy póruson áthaladva a polimer bizonyos módon kölcsönhatásba lép vele, ami lehetővé teszi annak tulajdonságainak meghatározását [12] . Egy évvel később, 1996-ban jelent meg az első munka, amely leírja a nanopórusok alkalmazásának lehetőségét (nanopórusként alfa-hemolizint használtak) a nukleinsavak jellemzésére [13] .
1999-2000-ben kimutatták, hogy a Staphylococcus alfa-hemolizint nanopórusként használva meg lehet különböztetni az egyszálú RNS-t az egyszálú DNS-től [14] [15] .
2001-ben végeztek először olyan munkát, amelyben nanopórusok segítségével határozták meg a rövid DNS -szekvenciák jelenlétét [16] . Csak 2009-re sikerült kimutatni, hogy a DNS-szekvenciában az összes bázist nanopórusokkal meg lehet különböztetni, ami a szekvenálási módszerek létrehozásához szükséges [17] .
2012-ben az Oxford Nanopore Technologies bemutatta az első nanopórusos szekvenszereket : GridION és MinION [18] .
Egyúttal megmutatták ennek a módszernek az alapvető lehetőségét is - a bakteriofág phiX genomját 5,4 ezer bázispár (bp) hosszúságban szekvenálták [19] .
A nanopórusos rendszer egy nanopórusos lyukat, nanopórust tartalmazó membránnal két részre osztott reakciókamra. A kamra egyes részeire feszültséget kapcsolnak, melynek eredményeként a vizsgált molekulák az elektromos tér irányába haladnak át a póruson . Amikor egy nukleinsav molekula áthalad egy póruson, az egyes nukleotidok befolyásolják a rendszer egyik vagy másik mért paraméterét, ami lehetővé teszi a nukleotidszekvencia meghatározását [2] . A nanopórusos szekvenálás egy gyakorlatban alkalmazott változatánál a kamrát elektrolitikus oldattal töltik fel, és a tér hatására mérik a póruson átfolyó ionok áramának erősségét ; amikor a nukleotidok áthaladnak a póruson, csökkentik az ionok számára elérhető keresztmetszetet, és csökken az áramerősség [20] .
Attól függően, hogy a szekvenált nukleinsavmolekulák megőrzik-e kémiai integritásukat, két lehetőség van: a teljes szál szekvenálása és az exonukleáz szekvenálás [21] .
Ennél a módszernél a nukleinsavláncok nem hasadnak. A teljes DNS- és RNS-molekulák pórusokon keresztül történő átvitele a következő módokon hajtható végre:
Ennél a módszernél a nukleinsavláncot a pórus közvetlen közelében elhelyezkedő exonukleáz egyes nukleotidokra vágja. A mező hatására a negatív töltésű nukleotidok egymástól függetlenül jutnak be a pórusokba, ahol a bázisok meghatározódnak [21] .
A szekvenáláshoz fehérje nanopórusokat és szintetikus szilárdtest nanopórusokat használnak [21] .
A Staphylococcus aureus alfa-hemolizin egy vízoldható monomer , amely spontán heptamert képez a membránban . A transzmembrán domén egy szárból és egy pórusfejből áll. A pórusfej körülbelül 4,5 nm átmérőjű üreget tartalmaz. A hordó és a fej találkozásánál a csatorna 1,5 nm szélességű szűkülete van. A pórusszár 14 antiparallel béta szálból áll, amelyek egy körülbelül 2 nm széles átmenő csatornát alkotnak. Semleges pH -n a pórusokban sok aminosav töltődik (például a pozitív töltésű lizin K147 és a negatív töltésű glutamát E111). 1 M KCl oldatban a póruson (a szártól a fejig) 120 mV potenciált tartanak fenn, ami 120 pA áramot okoz [22] . A száron belül három nukleotid felismerő hely található , ami elméletileg lehetővé teszi, hogy egynél több hely felismerjen egy nukleotidot (ami növeli a leolvasási pontosságot) [23] .
MSPAPorin A A Mycobacterium smegmatis ( Eng. Mycobacterium smegmatis porin A, MspA ) egy 1,2 nm átmérőjű nanopórus. Szerkezeti jellemzői (pórusalakja és átmérője) rendelkeznek, amelyek javítják a jel-zaj arányt a DNS-szekvenálás során az alfa-hemolizinhez képest [24] . Az MspA-nak azonban van egy jelentős hátránya is: a negatív töltésű mag megzavarja az egyszálú DNS előrehaladását a póruson belül. Ezért az eredeti fehérjében történő szekvenáláshoz három negatív töltésű aszpartát -maradékot semleges aszparaginmaradékra cseréltünk [25] .
A phi29 bakteriofág motor DNS-csomagoló fehérjeA phi29 bakteriofág DNS-csomagoló motorfehérje részt vesz a DNS becsomagolásában a vírusok kapszidjába , valamint a DNS-nek a kapszidból történő felszabadulásában fertőzéskor. A legfontosabb különbség a fent említett fehérjékhez képest, hogy nagyobb csatornaátmérőjével (3,6 nm-től 6 nm-ig) képes átjutni a kétszálú DNS-en. A phi29 motorfehérje természetéből adódóan a többi pórustól eltérően nem épül be eredeti formájában a membránba, de ezt a problémát a fehérje módosításával megoldják [26] . Más módosítások lehetővé teszik, hogy a fehérje kihagyja az egyszálú DNS-t vagy az egyszálú RNS-t [27] .
A fehérje nanopórusok mellett nem biológiai szilárdtest nanopórusokat is alkalmaznak. A nukleinsavak elemzéséhez nanopórusokat használnak szilíciumból , szilícium- nitridből és polietiléniminből [27] készült szubsztrátumokban . A pórusokat általában ion- vagy elektronsugarak égetik ki, ami megkönnyíti a méretük változtatását [28] . Külön érdemes kiemelni azokat az anyagokat, amelyek nagyon vékony „2D” pórusokat képeznek: grafén , molibdén-diszulfid és mások [27] . A grafénnek rendkívül kicsi a vastagsága is, ami hozzájárul a DNS mentén a térbeli felbontás növekedéséhez, ugyanakkor az erősséghez, a kémiai tehetetlenséghez és az elektromos vezetőképességhez . Ezek a tulajdonságok megkönnyítik ezen anyagok alkalmazását a nanopórusok szekvenálásában [28] .
GrapheneVékony és iontömör szerkezete lévén a grafén jó nanopórus alapú szekvenáló anyag. Így bebizonyosodott, hogy a grafén nanopórusok elektródaként használhatók a nanopórusokon átfolyó áram mérésére két ionos oldatokat tartalmazó kamra között [28] .
Fluoreszcencia detektálás2010-ben kidolgoztak egy fluoreszcens jelek detektálásán alapuló szilárdtest nanoszekvenálási módszert . Először a kívánt DNS-t DNS-vé alakítják, amelyben minden eredeti bázis egy rövid szekvenciának felel meg. Fluoreszcens próbák ( molecular beacons ) hibridizálódnak ezekhez a rövid szekvenciákhoz , és az egyik próba vége kioltja a fluorofor fluoreszcenciáját a másik próba elején. Ugyanakkor négy bázis kódolásához csak kétféle szondára van szükség: minden bázis (pontosabban a hozzá tartozó rövid szekvencia) két fluoreszcens jelnek (00, 01, 10 vagy 11, ahol a 0 egynek felel meg) szín, és 1 másik). A póruson való áthaladáskor a keletkező kettős szálú DNS feltekercselődik, a próba elválik, és ennek megfelelően a következő szondán lévő fluorofor világítani kezd [29] [30] .
A módszer előnyei közé tartozik a jel pontossága – a kamerák sokkal pontosabban regisztrálják a jelet, mint más elérhető technikák. A módszer azonban megköveteli a minta előkezelését: minden nukleotidot körülbelül 12 nukleotiddá kell alakítani (ami magát a DNS-t is meghosszabbítja) [29] .
Szilárdtest és biológiai nanopórusok összehasonlításaA szilárdtest nanopórusok mentesek a biológiai nanopórusok néhány hátrányától: pH-érzékenység , hőmérséklet, elektrolitkoncentráció , mechanikai igénybevétel stb . Ezen túlmenően stabilabbak, hosszabb élettartamúak, sokkal könnyebb a különféle formák kialakítása Az ilyen pórusok mérete és mérete, a gyártási technológia pedig hasonló a félvezetők gyártásához , ami nagyban megkönnyíti az ilyen pórusok előállítását, és potenciálisan lehetővé teszi más nanoeszközökkel való kombinálását. A biológiai nanopórusok előnyei közé tartozik a kémiai vagy genetikai módosítás lehetősége, a DNS vagy RNS kémiai specifitása, valamint a DNS vagy RNS viszonylag alacsony sebessége a pórusokon keresztül [28] [31] .
A nanopórusok előállításához DNS origami technológia használható . Ezt a lehetőséget először 2012-ben mutatták be, amikor az alfa hemolizinhez hasonló szerkezetet kaptak DNS origami segítségével. A létrejövő szerkezet spontán módon beépül a membránokba [27] .
2010-ben kimutatták, hogy az egyfalú szén nanocsövek membránokba is beágyazhatók, és lehetővé teszik a DNS áthaladását [27] .
2020-tól a szilárdtest nanopórusok nem rendelkeznek a fehérjék kémiai specifitásával, ezért aktívan tanulmányozzák a fehérje nanopórusok szilárdtest szubsztrátumokba való integrálásának lehetőségét [28] .
Egy másik ígéretes irány a szilárdtest nanopórusok alkalmazása érzékelőkkel (kapacitív érzékelők, alagútelektronikai és egyéb detektorok) [28] .
A meglévő szekvenálási módszerekkel összehasonlítva ennek a szekvenálási módszernek vannak előnyei [2] , például alacsony költség és egyszerű használat (mivel nincs szükség minta-előkészítésre és reagensek használatára), nagy érzékenység (a szekvenálásig). DNS-amplifikáció nélkül vérből és nyálból ), nagy leolvasási hossz (akár több tízezer bázisig), nagy mobilitás, gyors elemzés és az eredmények valós idejű megjelenítése [2] .
A hátrányok közé tartoznak olyan tulajdonságok, mint az olvasás alacsony minősége a rövid leolvasási szekvenálási technológiákhoz képest (a helyzet azonban az új algoritmusok megjelenésével jobbra változik), a biológiai pórusok funkcionális tulajdonságainak idővel történő elvesztése (a pórusok megbízhatóan működnek csak bizonyos ideig). fut) és a környezeti tényezők befolyása a szekvencia leolvasási sebességére és ennek következtében a minőségére (egy motorfehérje csak bizonyos pH-tartományban tud megfelelő sebességgel dolgozni, míg nem elég gyorsan működik a hatótávon kívül) [32] .
2012 februárjában a floridai AGBT konferencián az Oxford Nanopore Technologies két platform prototípusát mutatta be a hosszú fragmentumok nagy áteresztőképességű, teljes szálú nanopórusos szekvenáláson alapuló szekvenálására: a GridION és a MinION. Demonstrációként az 5386 bp PhiX bakteriofág genomot szekvenáltuk. [19] 2020-ra a vállalat több eszközt is kiad. Mindegyik lehetővé teszi a valós idejű adatelemzést [33]
MinionA MinION egy kis méretű, eldobható sejtszekvenszer, amelyet otthoni használatra terveztek, 900 dollár körüli irányárral. A szekvenszer USB 3.0 csatlakozóval rendelkezik a számítógéphez való csatlakoztatáshoz. 512 hasonló tulajdonságú nanopórust tartalmaz [2] . A cella akár 30 millió bp szekvenciát is lehetővé tesz. DNS (kb. két nap alatt 10-20 millió bp DNS digitalizálható) [34] . 2019-ben a vállalat elkezdte kiadni a Flongle-t, egy MinION vagy GridION adaptert, amely lehetővé teszi, hogy kevésbé produktív (~1 Gb, 126 nanopórus 512 helyett), de sokkal olcsóbb (90 USD) cellákkal dolgozzon [35] .
GridIONA GridION egy teljes genom szekvenálásra tervezett eszköz (lényegében egy megnövelt áteresztőképességű MinION). A prototípus 2000 egyedi nanopórust tartalmazott, amelyek mindegyike akár 5100 bp hosszúságú leolvasást is képes fogadni. 150 millió bp/h sebességgel 6 órán keresztül [2] . A GridION Mk1 ára 49 955 dollár, és 5 független cellát tartalmaz. Segítségével egy kísérletben akár 150 millió bp is szekvenálható. DNS [36] .
PrometionA cég legnagyobb teljesítményű szekvenszere több billió bp szekvenálását teszi lehetővé egyetlen kísérletben. DNS. A PromethION 24 24 sejtet tartalmaz, és három nap alatt 3,8 billió bp-t képes digitalizálni. A PromethION 48 DNS 48 sejtet tartalmaz, és három nap alatt 7,6 billió bázispárt képes digitalizálni. DNS. A szekvenáló sejtek 3000 nanopórust tartalmaznak [37] . Egy ilyen számú nanopórusból származó adatfolyamot nem lehet hagyományos számítógéppel elemezni, ezért a szekvenszer használatához szuperszámítógépre van szükség (ha azonban csak egy cellát futtatunk, akkor azt egy hagyományos számítógép is képes kezelni) [37] [38] .
Egyéb fejlesztésekA cég további két eszköz kiadását tervezi: a SmidgION-t, egy okostelefonhoz csatlakoztatható szekvenszert, és egy Plongle-t, amely 96 független, de alacsony áteresztőképességű sejtet tartalmaz, és ennek megfelelően nagy mennyiségű rövid DNS gyakori szekvenálására szolgál. [39] .
Az Oxford Nanopore adatok utófeldolgozásaAz Oxford Nanopore termékek használata után a kimenet FAST5 formátumú nyers adatok. Az Oxford Nanopore által használt FAST5 formátum a HDF5 szabvány egy olyan változata, amelynek hierarchikus belső struktúrája a DNS-szekvenciához kapcsolódó metaadatok és események (összesített összáram-mérések) tárolására szolgál, amelyeket egy működő eszköz előre feldolgozott. A feldolgozási eredmények valós időben jelennek meg a MinKNOW grafikus felületen, az adatok pedig FASTQ vagy .fast5 [40] fájlformátumban kerülnek rögzítésre . Ezután végre kell hajtania a nukleotid felismerést ( angol alaphívás ). Ez a folyamat a nyers FAST5 formátumú adatokat FASTQ formátumba dolgozza fel (a MinKNOW-ban ez a folyamat az olvasás olvasása közben indítható). Használhat olyan programokat is, mint a poreTools [41] , Guppy [42] [43] .
Ezután meg kell tisztítania a fogadott szekvenciákat, hogy megszabaduljon a túl sok zajos adatoktól. Ehhez a feladathoz például a NanoFilt [44] [45] programot használjuk . Az adatok megtisztítása után a kapott adatok későbbi adatgyűjtésre és elemzésre használhatók [43] .
Program ( https://github.com/skovaka/UNCALLED )
Szótárak és enciklopédiák |
---|