Что такое секвенирование ДНК

На молекулярном уровне в организме каждого из нас хранится универсальная «инструкция к жизни». В ядрах триллионов живых клеток надежно упакованы молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в которых с помощью всего четырех химических оснований закодированы наша внешность, физиология, поведенческие и психологические предрасположенности. Хотя наука продолжает расшифровывать смысл многих последовательностей генов, у нее уже есть надежный инструмент для получения самого кода — секвенирование ДНК. Из этой статьи вы узнаете, как развивались методы определения генома, как технологии секвенирования используются в наши дни и какие перспективы они открывают для будущих поколений.

Как работает секвенирование ДНК

Прежде чем перейти непосредственно к секвенированию, давайте немного поговорим о структуре ДНК. Вся молекула представляет собой длинную двойную спираль, состоящую из сцепленных друг с другом звеньев — нуклеотидов. В структуру каждого из них входит фосфатная группа и углевод дезоксирибоза, выполняющие скрепляющую и защитную функции соответственно. Они одинаковы у всех живых существ и не несут в себе какой-либо генетической информации. За кодирование отвечает третий элемент в структуре нуклеотидов — азотистое основание. В ДНК таких оснований четыре, и каждому из них присвоено обозначение по первой букве названия:

• аденин — A;
• тимин — T;
• гуанин — G;
• цитозин — C.

Внутри одной спирали ДНК основания могут располагаться в совершенно произвольном порядке, так как они связаны друг с другом через посредников в виде фосфатов и сахаров. Однако при соединении двух спиралей одной молекулы действует строгое правило взаимосвязи азотистых оснований, известное как принцип комплементарности. Аденин может соединяться только с тимином, а гуанин — с цитозином. Забегая вперед, отметим, что этот принцип очень важен для секвенирования. Если ученым удается считать одну букву, они в тот же момент понимают, какая находится ровно напротив нее.

Определить конкретный вид азотистого основания — крайне сложная задача, так как они представляют собой мельчайшие структуры. В одной клетке человека, которая сама по себе неразличима без микроскопа, могли бы поместиться десятки тысяч фрагментов генетического кода. И если изолированное основание еще можно «разглядеть» посредством атомно-силового микроскопа, то в структуре молекулы их содержится более 12 млрд, а невероятно плотная намотка спиралей на специальные белки-гистоны и вовсе не оставляет никаких шансов для традиционных микроскопических наблюдений. К счастью, новые технологии микроскопии все же позволяют обходить это ограничение. В 2012 году с помощью просвечивающего электронного микроскопа, принцип работы которого основан на прохождении пучка электронов сквозь образец, ученым удалось получить первое детальное изображение спиралей.

В общем смысле секвенирование (прим. ред.: от лат. «sequentum» — последовательность) представляет собой перевод нуклеотидной последовательности в буквенную. Базовый принцип этого процесса включает в себя четыре основных этапа.

• Этап 1. Копирование. Одной молекулы ДНК, содержащейся в ядре клетки, недостаточно для проведения качественного анализа. Поэтому взятый образец помещают в амплификатор — лабораторный прибор для проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР). Суть процесса заключается в том, что пробирку с раствором циклически нагревают примерно до 95 °C и охлаждают. При нагреве двойная спираль распадается на две одиночные нити, но как только температура падает, в работу включается фермент полимераза. Он подхватывает свободно плавающие в растворе нуклеотиды и достраивает вторую спираль. Спустя пару часов ПЦР, включающей десятки циклов нагрева и охлаждения, ученые получают миллиарды идентичных молекул ДНК.
• Этап 2. Подготовка матрицы. Чтобы приступить к анализу, молекулы ДНК нужно подготовить — открыть доступ к их азотистым основаниям, спрятанным внутри спиралей. Для этого раствор снова нагревают, и двойные спирали разделяются окончательно. Возникает закономерный вопрос, почему они не собираются обратно, как на этапе копирования. Дело в том, что в процессе ПЦР нуклеотидный состав внутри амплификатора полностью истощается или же намеренно вымывается, то есть ресурсов для достраивания нитей уже не остается. В результате в приборе остается массив расплетенных нитей — матриц, готовых к чтению.
• Этап 3. Запуск синтеза. К одиночным нитям молекулы снова добавляют полимеразу, но на этом этапе ученые идут на хитрость. Вместе с ней в раствор поступают искусственно модифицированные нуклеотиды с химическими «маячками». Часто их роль выполняют флуоресцентные красители, например, аденин светится зеленым, а гуанин — желтым. Помеченные азотистые основания позволяют исследователям полностью контролировать процесс синтеза.
• Этап 4. Детекция сигнала. После запуска синтеза ДНК пространство пробирки будто превращается в «нанодискотеку», за организацию которой отвечает специальный прибор — секвенатор. Всякий раз, когда нуклеотид занимает свое место в цепи, на него подается короткий лазерный импульс, стимулирующий ответное свечение флуоресцентной метки. Сразу после этого светящийся модификатор отщепляется, освобождая место для присоединения следующего нуклеотида. Каждую такую вспышку фиксирует высокочувствительная цифровая камера, передающая данные компьютеру. Если придерживаться нашего примера, зеленый огонек преобразуется в букву A, желтый — в C. Когда расшифровка одной спирали готова, следуя принципу комплементарности, алгоритм без труда достраивает и вторую, представляя полную нуклеотидную последовательность в буквенном формате.

Исторические методы секвенирования ДНК

В 1953 году американский и британский биологи Джеймс Уотсон и Френсис Крик разработали модель ДНК, описав три базовых аспекта: двухспиральную структуру молекулы, способ ее копирования по принципу комплементарности и ключевую функцию по кодированию генетической информации (прим. ред: определить наличие спиралей они смоги благодаря рентгенограмме, которую ранее сделала английская женщина-ученый Розалинд Франклин). В отсутствие неоспоримых доказательств научное сообщество долгое время не принимало новую экстравагантную гипотезу, однако множество экспериментов, проводившихся разными учеными в течение почти 10 лет, подтвердили ее полную обоснованность. Это произвело эффект «разорвавшейся бомбы» — молекулярная биология вышла за рамки умозрительных гипотез и получила возможность изучать жизнь на уровне информационных молекул. В 1962 году Уотсон и Крик за свое открытие были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Хотя ученые и поняли, что коды подавляющей части живой материи на Земле записаны всего четырьмя химическими основаниями, прочитать этот текст они не могли. Прямое наблюдение за длинными и одновременно очень тонкими, туго намотанными спиралями ДНК было бессмысленно. Некоторые биологи образно сравнивали этот процесс с попытками различить отдельные песчинки на Луне, глядя в театральный бинокль. Разные подходы к расшифровке последовательностей генома всякий раз заканчивались неудачей, но прорыв в этой области все же случился. В конце 1970-х годов почти одновременно были предложены сразу две гениальные идеи, положившие начало эпохе классического секвенирования.

Метод Максама – Гилберта

В 1970-х годах профессор биохимии Уолтер Гилберт руководил лабораторией в Гарвардском университете. Его коллега, Аллан Максам, хотя и имел формальную должность ассистента, уже был высококлассным специалистом, а впоследствии и вовсе достиг статуса одного из основателей молекулярной генетики. Изначально ученые не ставили перед собой цель совершить эпохальное открытие, а стремились решить практическую задачу — понять, как один из регуляторных белков взаимодействует с ДНК. Для этого им было необходимо знать точную последовательность 24 пар оснований, что в те годы было невыполнимой задачей.

Гилберт и Максам решили, что если они не могут прочитать код целой молекулы, значит можно попробовать разрезать ее в строго определенных местах. Идея родилась благодаря открытым несколькими годами ранее ферментам рестриктазам, получившим неофициальное название «ножниц для ДНК». Вместо цепи колоссальной длины ученые начали работать с небольшими нуклеотидными фрагментами, вскоре добившись положительного результата. В 1977 году Уолтер Гилберт и Аллан Максам опубликовали научную статью с описанием своего метода. Давайте коротко разберем его ключевые этапы.

• Радиоактивная метка. К одному из концов одиночной молекулярной нити прикрепляли атом фосфора-32. Замена обычно стабильного фосфора на его радиоактивный изотоп не меняла химических свойств молекулы, но обеспечивала излучение в виде потока высокоэнергетических электронов. Это был тот самый «маячок», о котором мы говорили ранее.
• Четыре пробирки. Весь помеченный биоматериал делили на четыре порции и помещали в отдельные пробирки. В каждую из них добавляли химический реагент, повреждающий определенные азотистые основания. При этом из-за небольших различий в структуре веществ некоторые реагенты воздействовали лишь на одно основание, а другие сразу на пару: G, C, A + G, T + C. Далее под воздействием универсального агрессивного реагента пиперидина цепи разрывались именно в поврежденных точках.
• Сортировка. После разрыва цепей их обломки упорядочивали с помощью электрофореза — содержимое каждой пробирки капали в лунки с гелем и подключали их к высокому напряжению. Отрицательно заряженные фрагменты ДНК устремлялись к положительному полюсу сквозь поры геля. Самые короткие из них проходили беспрепятственно, более длинные — испытывали сопротивление и замедлялись. В результате электрофорез помогал отсортировать фрагменты по длине с точностью до буквы-нуклеотида.
• Рентгеновский снимок. Гелевые пластины с выстроенными в ряд фрагментами ДНК извлекали и сушили, после чего прижимали к рентгеновской фотопленке. Радиоактивный фосфор со временем засвечивал ее в разных местах, в результате чего создавалось изображение своеобразного биологического «штрих-кода» — полос, распределенных по четырем дорожкам. Сравнивая их, Максам и Гилберт побуквенно восстанавливали генетический код.

За один цикл секвенирования метод Максама – Гилберта позволял уверенно расшифровать последовательность, включавшую до 300, а в отдельных случаях и до 500 нуклеотидов. Однако у него был серьезный недостаток — все ключевые химические реагенты были высокотоксичными и представляли серьезнейшую угрозу для здоровья лаборантов. Из-за этого технология так и не стала по-настоящему массовой, проиграв конкуренцию методу британского ученого Фредерика Сенгера.

Метод Сенгера

Фредерик Сенгер — это самая настоящая легенда мировой науки. Он стал первым в истории ученым, получившим сразу две Нобелевские премии по химии: в 1958 году за исследования структуры белков и в 1980 году за установление последовательностей нуклеотидов в ДНК и РНК. Сенгер посвятил себя изучению нуклеиновых кислот в самом начале 1960-х годов, став руководителем лаборатории молекулярной биологии в Кембриджском университете. Понимая, что сразу расшифровать генетический код ДНК будет слишком сложно, он начал работать с РНК. Уже в 1965 году он представил последовательность нуклеотидов транспортной РНК грибка Saccharomyces cerevisiae, расшифрованную с помощью ферментативного разрушения и химических меток.

Тем не менее, в своих экспериментах с ДНК Сенгер пошел принципиально иным путем, отказавшись от расщепления молекул и отдав предпочтение их синтезу. По большому счету, биохимик заложил основу для базовой концепции секвенирования, которую мы описывали ранее. В 1977 году он опубликовал свой метод, который позволял в рамках одного анализа точно идентифицировать десятки тысяч пар оснований. С учетом технологических реалий того времени метод Сенгера отличался от современных методов по ряду аспектов.

• Так как методика ПЦР была разработана только в 1983 году, Сенгер использовал биологическое копирование ДНК вместо химического. Он заражал бактерию кишечной палочки — E. coli — специальным гибридным вирусом, что провоцировало синтез одноцепочечных ДНК. Таким образом, технология позволяла не только создать копии, но и подготовить матрицу, однако процесс был кропотливым и мог занимать недели.
• Для запуска синтеза Сенгер также использовал полимеразу и отдельные нуклеотиды, однако они были модифицированы иначе. В структуру такого звена входил углевод дидезоксирибоза с отсутствующей гидроксильной группой –OH на третьем атоме углерода (прим. ред.: в обычных нуклеотидах гидроксильная группа отсутствует на втором атоме углерода, чем и объясняется приставка «дезокси-» — «без кислорода», и, соответственно, «дидезокси-» означает «дважды без кислорода»). Когда к растущей цепи присоединялся такой «бракованный» нуклеотид, синтез останавливался, и в пробирке появлялись фрагменты разной длины.
• На финальном этапе расшифровки Сенгер пользовался теми же технологическими методами, к которым независимо от него пришли Гилберт и Максам: буквы «капканы» разделялись по четырем разным пробиркам, сортировка фрагментов осуществлялась с помощью электрофореза, а за формирование темных полос на рентгеновской пленке отвечал радиоактивный фосфор-32.

Что такое секвенирование нового поколения (NGS)

Метод Сенгера был шедевром своего времени, и вскоре после публикации описания им начали пользоваться генетики по всему миру. Однако у этого технологического подхода были значимые ограничения — временны́е и финансовые. Нагляднее всего их иллюстрирует амбициозный проект «Геном человека», инициированный агентством Национальных институтов здравоохранения США в 1990 году. Задача состояла в том, чтобы полностью расшифровать 3 млрд пар нуклеотидов, упакованных в 23 пары хромосом. На первый взгляд, ее выполнение казалось нереалистичным. Использование метода Сенгера с последовательным считыванием крошечных по общим меркам фрагментов можно сравнить с ручным переписыванием сотен тысяч книг.

На проект было заложено 15 лет и $3 млрд — по доллару на каждую пару нуклеотидов. В 2003 году, на два года раньше заявленного срока, было объявлено о завершении проекта «Геном человека». К тому времени тысячи специалистов из ведущих университетов и лабораторий мира смогли совместными усилиями расшифровать 92% нуклеотидов, что на тот момент сочли техническим пределом (прим. ред.: оставшиеся 8% были идентифицированы только в 2022 году).

Стало очевидно, что для полноценной работы с ДНК человека, равно как и других живых организмов, нужно искать какие-то другие подходы, которые вскоре действительно были найдены. Группа методов получила собирательное название NGS (прим.ред.: от англ. «next generation sequencing» — «секвенирование нового поколения»). Революцию в молекулярной биологии удалось совершить благодаря массово-параллельному секвенированию: молекулу ДНК разбивали на миллионы фрагментов, но все они считывались одновременно, а затем суперкомпьютер собирал их в единую последовательность. А сейчас мы рассмотрим несколько ключевых методов NGS, расположив их в хронологическом порядке.

• Roche / 454 Life Sciences — 2005 год. Первая технология, получившая широкое распространение, основана на принципе пиросеквенирования. Ее суть заключается в том, что к концу каждого фрагмента ДНК прикреплялись «хвостики» с заранее известным кодом, а ПЦР осуществлялась в масляной эмульсии, так, чтобы каждая микрокапля выполняла функцию изолированной пробирки. Присоединение нуклеотида сопровождалось выделением энергии в виде молекулы пирофосфата, которая моментально преобразовывалась в световую вспышку. Сопоставляя момент, в который происходит вспышка, со временем подачи определенного нуклеотида компьютер определял одну из четырех букв кода.
• Illumina / Solexa — 2006 год. Первый метод NGS очень скоро был вытеснен с рынка новой технологией. Ее авторы также использовали модифицированные фрагменты молекулы, однако их помещали в проточную кювету — специальную пластину с микроканалами, дно каждого из которых покрывали миллиарды фрагментов ДНК, работавших как «липучки», соединявшиеся с исследуемыми фрагментами. Для синтеза в прибор одновременно запускали нуклеотиды всех типов, дополненные уже известными нам флуоресцентными метками.

• Ion Torrent — 2010 год. Метод ионного полупроводникового секвенирования является улучшенной версией технологии Roche / 454 Life Sciences. Разница заключается в том, что эмульсию начали помещать на полупроводниковый микрочип, покрытый миллионами лунок со сверхчувствительными датчиками. Когда на чип подавали раствор с определенным нуклеотидом, датчики фиксировали, в какой именно лунке происходило выделение иона водорода при включении фрагмента в цепь. Изменение химического заряда сопровождалось электрическим сигналом, который компьютер мог преобразовать в код.
• SMRT — 2011 год. Технология одномолекулярного секвенирования в реальном времени позволила считывать фрагменты, включающие порядка 20 000 пар азотистых оснований. Для сравнения: предел длины фрагмента в методе Illumina / Solexa составляет 300 пар. Главное новшество метода заключалось в использовании невероятно маленьких лунок, диаметр которых не превышает длину волны лазерного света. Благодаря этому камера может фиксировать цветовые вспышки только на самом дне лунки, тогда как дальше свет попросту не проходит. Важно отметить, что флуоресцентные метки в данном случае крепятся не к самим основаниям, а к фосфатам, а потому не блокируют синтез. В результате он проходит очень быстро, почти как при делении клетки в организме.
• Нанопоровое секвенирование — 2012 год. Разработчики передового метода секвенирования полностью отказались от синтеза второй спирали в ДНК и смогли считать код исходной молекулы. Основу внедренной ими системы составляют нанопоры — модифицированные полые белки, встроенные в полимерную мембрану, являются настолько узкими, что через них может пройти всего одна нить ДНК. Мембрана с нанопорами помещается в раствор солей, что позволяет создавать устойчивый и предсказуемый электрический сигнал. При этом проходящие нуклеотиды частично блокируют этот сигнал, но разные азотистые основания делают это по-разному. На выходе получается график колебаний электрического тока, которые можно преобразовать в генетический код.

Где в науке применяется секвенирование ДНК

Развитие методов секвенирования нового поколения привело к тому, что исследования ДНК стали доступны не только крупным государственным институтам, но и относительно небольшим частным лабораториям. И если расшифровка полного генома по методу Сенгера стоила $3 млрд, сегодня минимальная себестоимость анализа в отдельных случаях составляет всего $200. Кроме того, в 2025 году был установлен технический рекорд скорости расшифровки — 4 часа (прим. ред.: правда, столь быстрый анализ стоил гораздо больше $200). Так сформировались условия, в которых секвенирование ДНК широко используется в самых разных областях науки.

• Эволюционная биология. В прошлом ученые могли делать выводы о степени родства разных видов исключительно по внешним особенностям окаменелостей и отпечатков. Однако гены показали, что внешность часто бывает обманчива. Например, бегемотов долгое время считали «родственниками» свиней, хотя генетически они оказались гораздо ближе к китам.
• Метагеномика и экология. На секвенировании полностью основана метагеномика — раздел генетики, изучающий разнообразие микроорганизмов в образцах из окружающей среды. Ученые берут пробу морской воды, кусочек почвы или соскоб со стены пещеры, после чего секвенируют весь генетический материал, который там содержится. Это привело к открытию миллионов новых видов вирусов и бактерий, составляющих «фундамент» экосистем. Портативные нанопоровые секвенаторы позволяют проводить анализ в полевых условиях, сразу после взятия образца.
• Агротехнологии и селекция. Секвенируя ДНК тысяч растений, ученые сопоставляют их геномы с реальными свойствами вроде вкуса, урожайности и устойчивости к засухе. Обработка колоссальных массивов данных позволяет выделить генетические маркеры, связанные с признаками. В результате, секвенируя только что взошедший росток, специалисты сразу понимают потенциальную продуктивность культуры, что избавляет от необходимости ждать созревания урожая.
• Синтетическая биология. Если секвенирование представляет собой чтение кода ДНК, то синтетическая биология — это его написание. Досконально изучая геном существующих организмов, ученые параллельно учились создавать искусственные формы жизни. Триумфом синтетической биологии стал 2010 год, когда ученым из Института Крейга Вентера удалось создать живой организм с синтезированным геномом. Они взяли за основу бактерию Mycoplasma mycoides, смоделировали ее генетический код на компьютере и «собрали» ДНК в пробирке, пересадив в клетку бактерии близкого вида. Полученный штамм получил официальное название «JCVI-syn 1.0», но в популярную культуру бактерия вошла под именем «Синтия».

Секвенирование ДНК в медицине

Доступные технологии секвенирования ДНК, дающие результаты с достаточно высокой степенью точности, задали тренд на переход к персонализированной медицине. Вместо того чтобы лечить заболевание по стандартизированному протоколу, доктора все чаще анализируют уникальный генетический код пациента для подбора индивидуальной терапии. В наши дни секвенирование ДНК играет важную роль в лечении онкологии. Раковые опухоли одного и того же органа могут быть вызваны совершенно разными генетическими нарушениями. У пациентов берут биопсию и изучают сотни генов, связанных с развитием рака. Обнаружение мутации, приводящей к синтезу конкретного поврежденного белка, позволяет выписать препарат, который будет прицельно воздействовать на этот белок, минимально затрагивая здоровые ткани.

Секвенирование ДНК активно используется в неинвазивной пренатальной диагностике. В венозной крови беременной женщины содержатся и генетические материалы плода в количествах, достаточных для проведения анализа. Тестирование позволяет выявить самые распространенные хромосомные заболевания, в том числе синдромы Дауна, Эдвардса и Патау. Кроме того, благодаря секвенированию будущие родители могут оценить риски возникновения наследственных заболеваний еще до наступления беременности. Например, если оба родителя являются скрытыми носителями мутаций в одинаковых генах, риск рождения больного ребенка составляет 25%.

Возвращаясь к теме персонализированной медицины, отметим также фармакогенетику — раздел, изучающий, как индивидуальные особенности генома человека влияют на ответ его организма на лекарственные препараты. За расщепление, усвоение и вывод медикаментов отвечают разные белковые ферменты, структура которых закодирована в ДНК. Секвенирование позволяет отказаться от метода проб и ошибок, который в критических ситуациях может стоить жизни пациенту. Вместо этого врач сразу назначает подходящий препарат в точной дозировке, которая не приведет к отравлению организма. Помимо онкологии, фармакогенетика широко используется в сферах кардиологии, психиатрии и обезболивающей терапии.

Секвенирование ДНК в криминалистике

Ранее в криминалистике использовались методы ПЦР и электрофореза, позволяющие сравнить ДНК, обнаруженные на месте преступления, с генетическими материалами подозреваемого. При этом сам подозреваемый должен был быть задержан и доступен для взятия пробы, или же код его ДНК должен храниться в базе данных. Внедрение современных технологий массово-параллельного секвенирования позволило обойти эти ограничения и вывести расследования на принципиально новый уровень. Отметим ключевые аспекты работы современных криминалистов-генетиков.

• Фенотипирование. Секвенирование позволяет точечно выявить тысячи мутаций, по которым с помощью специальных алгоритмов можно составить самый настоящий фоторобот неизвестного преступника. В частности, ДНК-фенотипирование дает точную информацию о цвете кожи, глаз и волос, форме и чертах лица, например, расстоянию между глазами, этническом происхождении с точностью до макрорегиона, склонности к облысению и многом другом.
• Судебная генеалогия. Если преступника нет в базе, специалисты секвенируют его полный геном, а затем загружают его в публичные генеалогические сервисы, которыми пользуются обычные люди для поиска своих предков. По характерным совпадениям криминалистам часто удается найти дальних, а иногда и весьма близких родственников подозреваемого, после чего выход на него самого становится делом времени.
• Работа с поврежденными образцами. На уликах, много лет хранящихся в архиве, молекулы ДНК оказываются сильно повреждены. Из-за этого провести полное секвенирование становится крайне сложно. В этом случае на помощь приходит технология Illumina / Solexa, как раз адаптирования для «сшивания» крошечных фрагментов в единый генетический код.

Преимущества и ограничения секвенирования

Преимущества современных методов секвенирования:

• высокая производительность — научные приборы, используемые в NGS, могут за один запуск считывать миллиарды пар оснований;
• доступная стоимость — в наши дни многие люди могут обратиться в лабораторию и получить полную расшифровку своего генома, что было совершенно немыслимо еще пару десятков лет назад;
• преодоление «слепых зон» — самые совершенные нанопоровые секвенаторы позволяют считывать очень длинные участки молекул ДНК (прим. ред.: именно с их помощью проект «Геном человека» в 2022 году был завершен на 100%);
• возможность анализа модификаций — ученые могут распознавать не только сами буквы генетического кода, но и метильные группы, отвечающие за включение и выключение генов.

Ограничения современных методов секвенирования:

• проблема коротких фрагментов — в геноме часто встречаются длинные повторяющиеся участки, и при разделении молекулы на части с несколькими сотнями пар оснований алгоритму часто не удается «понять», в какое место необходимо подставить анализируемый фрагмент;
• случайные ошибки секвенирования в реальном времени — методы SMRT могут давать погрешность на уровне 5 – 10%, и, хотя эта проблема решается за счет повторных прочтений, они требуют дополнительных затрат времени, вычислительных мощностей и, как следствие, денежных расходов;
• нагрузка на серверы — современные секвенаторы могут выдавать терабайты информации за один запуск, и зачастую главной проблемой становится не сама расшифровка кода, а его хранение и обработка;
• сложность подготовки образцов — приборы хорошо воспринимают биоматериалы, взятые в лабораторных условиях, однако секвенирование ДНК из древних окаменелостей, архивных тканей или даже просто загрязненных образцов может приводить к бессмысленным итоговым результатам.

Интересные факты о секвенировании ДНК

• Развитие технологий палеогенетики позволяет реконструировать древние ДНК, собирая их из фрагментов длиной всего в 20 – 30 пар оснований. За последние годы ученые смогли с высокой точностью расшифровать геном множества вымерших видов, в том числе неандертальца и денисовского человека, шерстистого мамонта, птиц додо и моа.
• Благодаря методам судебной генеалогии полиции США в 2018 году удалось поймать Деанджело Джозефа — «Убийцу из Золотого штата», скрывавшегося от правосудия более 50 лет. С помощью одного из открытых онлайн-сервисов детективы нашли нескольких троюродных и четвероюродных братьев и сестер преступника, после чего вручную распутали это разветвленное генеалогическое древо.

Будущее технологий секвенирования ДНК

За последние полвека технологии секвенирования ДНК уже проделали впечатляющий путь развития. Еще в 1990-х годах расшифровка одного генома стоила миллиарды долларов и длилась годами, однако в наши дни портативные приборы размером со смартфон считывают «коды жизни» в полевых условиях. По прогнозам, уже в совсем близком будущем секвенатор может стать таким же привычным гаджетом, как смарт-часы или беспроводные наушники. Однако главным вызовом отдаленного будущего является уже не чтение кода, а его правильная интерпретация. Вероятно, главными «биоинформатиками» станут системы искусственного интеллекта, которые смогут понять смысл каждой последовательности в геноме и раскрыть для человечества пока неизвестные регуляторные механизмы, записанные в ДНК.

Секвенирование ДНК в вопросах и ответах

1. Что такое секвенирование ДНК?

Секвенирование ДНК — это процесс считывания генетического кода, определения последовательностей азотистых оснований в связанных парах нуклеотидов.

2. Для чего проводят секвенирование ДНК?

ДНК можно сравнить с инструкцией по сборке и развитию живого организма. Расшифровка генетического кода помогает проводить биологические исследования, развивать медицинские технологии, выслеживать преступников по фрагментарным биоматериалам а также восстанавливать эволюционную историю жизни.

3. Как работает секвенирование ДНК?

В большинстве методов секвенирование ДНК осуществляется с помощью анализа фрагментов молекулы. Ученые присоединяют к нуклеотидам химические метки, которые предоставляют компьютеру информацию о последовательностях.

4. Что показывает анализ ДНК после секвенирования?

После секвенирования создается текстовый файл с миллиардами букв A, T, G и C, соответствующих определенным азотистым основаниям в структуре нуклеотида. Зачастую компьютерные алгоритмы сравнивают полученный код с условным эталоном для поиска мутаций и индивидуальных особенностей.

5. Чем секвенирование отличается от обычного генетического теста?

Обычные генетические тесты, например, ПЦР, как правило, позволяют искать конкретные, заранее известные мутации. Секвенирование же дает полную расшифровку генетического кода, благодаря чему специалисты могут находить аномалии, о существовании которых они раньше не подозревали.

6. Что такое секвенирование нового поколения (NGS)?

Секвенирование нового поколения — это собирательное название технологий массово-параллельного секвенирования, которые начали появляться в начале XXI века и заложили основу для одновременной расшифровки огромного количества фрагментов ДНК.

7. Где применяется секвенирование ДНК?

Секвенирование ДНК применяется в генетике, медицине, эволюционной биологии, криминалистике и многих других сферах.

8. Можно ли выявить наследственные заболевания с помощью секвенирования?

Да, секвенирование является одним из самых надежных инструментов выявления врожденных патологий еще до рождения ребенка или в первые месяцы его жизни.

9. Сколько времени занимает секвенирование ДНК?

Сам процесс считывания на современных приборах в среднем занимает несколько дней, однако с учетом обработки данных и загруженности лабораторий ждать результата часто приходится неделями и даже месяцами.

10. Насколько точен этот метод?

«Золотым стандартном» секвенирования является технология Illumina / Solexa, дающая при благоприятных условиях точность 99,9% уже при первом считывании.

11. Используют ли секвенирование ДНК в криминалистике?

Да, секвенирование ДНК позволяет составить фоторобот подозреваемого даже при отсутствии показаний свидетелей, найти человека по ДНК-профилям его родственников на генеалогических платформах, а также раскрыть старые преступления.

12. Можно ли с помощью секвенирования изучать древние остатки?

Да, секвенирование активно используется в палеонтологии. И хотя древняя ДНК распадается на отдельные фрагменты, некоторые технологии позволяют собрать из них полный геном.

13. Сколько стоит секвенирование ДНК?

Отдельные технологические гиганты смогли снизить себестоимость одного запуска секвенатора до $200. Тем не менее, при расчете конечной стоимости для потребителя также учитывается цена самого прибора и различные сопутствующие расходы. В российских лабораториях за секвенирование ДНК придется заплатить не менее 60 000 рублей.

14. Есть ли ограничения у этого метода?

Да, компьютерные программы могут испытывать трудности с определением точного местоположения в геноме отдельного маленького фрагмента с многочисленными повторениями букв. Кроме того, обработка и хранение генетической информации требует постоянного роста вычислительных мощностей.

15. Как секвенирование ДНК меняет современную медицину?

Оно постепенно переводит медицину на концепцию персонализированного лечения и профилактики заболеваний. Уникальный набор генетических мутаций позволяет подобрать лекарства так, чтобы они эффективно решали проблему с минимальными побочными эффектами.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение на обложке: Magnific

• #ДНК