В современных научных статьях по исследованию ДНК часто можно встретить аббревиатуру NGS. Это расшифровывается как next generation sequencing, методы секвенирования нового поколения – собирательное название для новейших методов, не использующих cенгеровскую терминацию. Все они появились после двухтысячного года, все требуют довольно сложного оборудования и программного обеспечения. Для большинства из них ДНК надо сначала фрагментировать – порезать на фрагменты в несколько сотен нуклеотидов, а затем состыковывать прочтенные кусочки текста в единую последовательность. Часто NGS называют также “высокопроизводительным”, или “параллельным”, секвенированием, потому что одновременно читается множество кусочков ДНК.

Подробно про каждый метод рассказывать не будем, только общий принцип в двух словах.

Пиросеквенирование основано на двух фактах: 1) ДНК-полимераза присоединяет к растущей цепочке только комплементарный нуклеотид, некомплементарные присоединять отказывается; 2) когда нуклеотид занимает свое место, отщепляется пара фосфатных групп – пирофосфат (если интересует химическая сторона вопроса, посмотрите на рисунок про секвенирование). Через ячейку, в которой находится секвенируемый фрагмент ДНК, поочередно прокачивают растворы четырех нуклеотидов. Когда приходит нужная буква, пирофосфат отщепляется и запускает каскад реакций с выделением кванта света. Вспышка регистрируется, буква записывается, начинается следующий цикл.

Секвенирование Solexa (Illumina) – то есть технология, разработанная в компании Solexa, позднее приобретенной компанией Illumina. Она тоже использует рост нуклеотидной цепочки. Каждый нуклеотид при этом несет флуоресцентную метку своего цвета и “заглушку” на 3’ – ОН-группе, временно останавливающую синтез. Нуклеотид присоединился – лазерный импульс заставил метку флуоресцировать – свечение зарегистрировано – специальный реагент удаляет флуоресцентный довесок и заглушку с 3’ – конца – цикл можно повторять.

Ионное полупроводниковое секвенирование, оно же секвенирование Ion Torrent и рН-опосредованное секвенирование, не использует ни меченых нуклеотидов, ни оптических датчиков. Присоединение очередного нуклеотида сопровождается высвобождением не только пирофосфата, но и протона Н+ – вот этот протон, точнее, локальное изменение рН на микрочипе, и регистрируется чувствительным датчиком.

Все эти методы на самом деле требуют присутствия множества копий молекулы-матрицы (и, соответственно, довольно сложной пробоподготовки). Но уже появилось секвенирование единичных молекул ДНК или РНК. Так, одномолекулярное секвенирование в реальном времени, разработанное компанией Pacific Biosciences, позволяет детектировать свечение единичного нуклеотида с флуоресцентной меткой, присоединяемого к цепочке. Важно, что таким методом можно читать очень длинные молекулы – десятки тысяч нуклеотидов, то есть не нужно разрезать ДНК на мелкие кусочки, а потом собирать.

А совсем недавно, всего несколько лет назад, появились приборы, использующие фантастически красивый метод – нанопоровое секвенирование. Это уже секвенирование третьего поколения! Представьте себе реакционную камеру с раствором электролита, разделенную на две части мембраной. В мембране есть маленькая пора, по размеру такая же, как те, через которые молекулы транспортируются в живую клетку. Между двумя половинами камеры имеется разность потенциалов, из-за чего возникает ток ионов через пору. А когда через эту пору проходит молекула ДНК (она проникает туда под действием напряжения, как при электрофорезе, или ее направляет специальный фермент) – тогда азотистые основания А, Т, G, С по-разному перекрывают просвет поры, сила тока падает и снова возрастает, ее колебания можно регистрировать и таким образом получить последовательность нуклеотидов. Своего рода молекулярная морзянка.

Приборы для нанопорового секвенирования продает британская компания Oxford Nanopore Technologies. Совершенствовать эту технологию непросто, уровень ошибок не сразу удалось снизить до приемлемого, но сейчас приборы Oxford Nanopore уже и в космос слетали, и в России появились. Например, многие видели в новостях трогательно маленький “секвенатор-флешку” MinION, подключаемый к ноутбуку через USB, – эта игрушечка может за один запуск секвенировать геном человека с шестикратным покрытием. А рекордная длина прочтения с одной молекулы, как сообщается на сайте компании, – 2,2 млн нуклеотидов. Два миллиона за один проход! Да, это вам не полиакриламидный гель.

Здесь перечислены не все существующие методы. Есть множество их вариаций. Есть еще и полони-секвенирование, оно же лигазное, оно же SOLiD, – коротко объяснить принцип данного весьма полезного метода тут не получится. Есть Nanoball Sequencing, что можно перевести как секвенирование ДНК-наношаров…

В общем, мало кто сомневается, что секвенирование будет становиться все доступнее по цене. Некоторые наши бабушки и дедушки ходили за покупками с дозиметрами и “измерителями содержания нитратов”. Возможно, из наших сверстников получатся ответственные пенсионеры, которые будут брать с собой на рынок портативный секвенатор и, сурово поглядывая на продавца сквозь гугл-очки, проверять подозрительно розовый помидор на присутствие генных модификаций, неизвестных Роспотребнадзору.

Шутки шутками, но современные методы секвенирования в самом скором времени изменят нашу жизнь. (Как именно – тема для отдельной книги.) Технологии NGS позволяют прочесть больше нуклеотидов в единицу времени и за меньшие деньги, в этом смысле прогресс налицо. Тем не менее секвенирование по Сенгеру остается золотым стандартом. Метод Сенгера читает без перерыва более длинные фрагменты с меньшим количеством ошибок. Часто и в современных научных работах можно встретить фразу, что, мол, мы нашли такие-то мутации с помощью NGS и затем подтвердили находку методом Сенгера.

Но еще до того, как секвенирование стало более или менее рутинной задачей – и даже до того, как был начат проект “Геном человека”, и задолго до появления высокопроизводительного секвенирования! – анализ ДНК нашел применение в криминалистике. Теперь нам часто придется забегать вперед и возвращаться назад, в начале 1980-х слишком много интересного происходило одновременно.