Nanopore-sekventering er en familie af højeffektive tredjegenerations- DNA- eller RNA- sekventeringsmetoder [1] . Metoden er baseret på brug af protein-, faststof- eller andre porer med en diameter på flere nanometer , der er følsomme over for nukleinsyrer.
Nanopore-sekventering undgår trinene med PCR - amplifikation og kemisk mærkning af en DNA- eller RNA-prøve [2] . Dette er en væsentlig fordel i forhold til andre sekventeringsmetoder, der bruger mindst ét af disse trin. Metodens muligheder omfatter relativt billig genotypning , høj mobilitet, hurtig analyse og realtidsvisning af resultater. Brugen af metoden til hurtig påvisning af virale patogener [3] , bakteriel resistenssporing [4] , human [5] [6] og plante [7] genomsekventering , haplotyping [8] , ebolavirussporing [9] og andre felter er blevet beskrevet.
I 1989 blev skabelsen af kanaler ( nanoporer ) i en kunstig fosfolipidmembran af alfa-toksin syntetiseret af Staphylococcus aureus demonstreret [10] [11] . I 1995 blev ideen om nanopore -sekventering først foreslået - bestemmelsen af egenskaberne af en lineær polymer, når den trækkes gennem en pore i en membran. Når den passerer gennem en pore, interagerer polymeren med den på en bestemt måde, hvilket gør det muligt at bestemme dens egenskaber [12] . Et år senere, i 1996, dukkede det første værk op, der beskrev muligheden for at bruge nanoporer ( alfa-hæmolysin blev brugt som en nanopore ) til at karakterisere nukleinsyrer [13] .
I 1999-2000 blev det vist, at det ved brug af staphylococcus alpha-hemolysin som nanopore er muligt at skelne enkeltstrenget RNA fra enkeltstrenget DNA [14] [15] .
I 2001 blev der for første gang udført et arbejde, hvor tilstedeværelsen af korte DNA -sekvenser blev bestemt ved hjælp af nanoporer [16] . Først i 2009 var det muligt at vise evnen til at skelne alle baser i DNA-sekvensen med nanoporer, hvilket er nødvendigt for at skabe sekventeringsmetoder [17] .
I 2012 demonstrerede Oxford Nanopore Technologies de første nanopore -sequencers : GridION og MinION [18] .
Samtidig blev den fundamentale mulighed for at bruge denne metode vist - bakteriofag phiX -genomet blev sekventeret med en længde på 5,4 tusinde basepar (bp) [19] .
Et nanoporesystem er et reaktionskammer opdelt i to dele af en membran indeholdende et hul på nanometerstørrelse, en nanopore. En spænding påføres dele af kammeret , som et resultat af, at de undersøgte molekyler passerer gennem poren i retning af det elektriske felt . Når et nukleinsyremolekyle passerer gennem en pore, påvirker individuelle nukleotider en eller anden målt parameter i systemet, hvilket gør det muligt at bestemme nukleotidsekvensen [2] . I en praktisk brugt version af nanopore-sekventering er kammeret fyldt med en elektrolytisk opløsning, og styrken af strømmen af ioner, der strømmer gennem poren under påvirkning af feltet, måles; når nukleotider passerer gennem poren, reducerer de tværsnittet, der er tilgængeligt for ioner, og strømmen falder [20] .
Afhængigt af om de sekventerede nukleinsyremolekyler bevarer deres kemiske integritet, er der to muligheder - helstrengs-sekventering og exonuklease - sekventering [21] .
I denne metode spaltes nukleinsyrekæder ikke. Overførslen af hele DNA- og RNA-molekyler gennem poren kan udføres på følgende måder:
I denne metode skæres nukleinsyrekæden i enkelte nukleotider af en exonuklease placeret i umiddelbar nærhed af poren. Under påvirkning af feltet kommer negativt ladede nukleotider uafhængigt ind i poren, hvor baser bestemmes [21] .
Proteinnanoporer og syntetiske faststofnanoporer bruges til sekventering [21] .
Staphylococcus aureus alpha-hæmolysin er en vandopløselig monomer , der spontant danner en heptamer i membranen . Det transmembrane domæne består af en stilk og et porehoved. Porehovedet indeholder et hulrum på ca. 4,5 nm i diameter . Ved krydset mellem tønden og hovedet er der en indsnævring af kanalen med en bredde på 1,5 nm. Porestænglen består af 14 antiparallelle beta-strenge, der danner en gennemgående kanal på ca. 2 nm bred. Ved neutral pH er mange aminosyrerester i poren ladede (for eksempel den positivt ladede lysinrest K147 og den negativt ladede glutamatrest E111). I en 1 M KCl opløsning opretholdes et potentiale på 120 mV på poren (fra stilken til hovedet), hvilket forårsager en strøm på 120 pA [22] . Der er tre nukleotidgenkendelsessteder i stammen , hvilket i teorien gør det muligt for mere end ét sted at genkende et enkelt nukleotid (hvilket øger læsenøjagtigheden) [ 23] .
MSPAPorin A Mycobacterium smegmatis ( Eng. Mycobacterium smegmatis porin A, MspA ) er en nanopore med en diameter på 1,2 nm. Det har strukturelle træk (poreform og diameter), der forbedrer signal-til-støj-forholdet i DNA-sekventering sammenlignet med alfa-hæmolysin [24] . Men MspA har også en væsentlig ulempe: den negativt ladede kerne interfererer med fremrykningen af enkeltstrenget DNA inde i poren. Til sekventering i det originale protein blev tre negativt ladede aspartatrester derfor erstattet med neutrale asparaginrester [25] .
Motor-DNA-pakkeprotein fra bakteriofag phi29DNA-pakningsmotorproteinet fra bakteriofagen phi29 er involveret i pakningen af DNA ind i kapsiden af vira, såvel som i frigivelsen af DNA fra capsidet ved infektion. Den vigtigste forskel fra de førnævnte proteiner er, at den med en større kanaldiameter (fra 3,6 nm til 6 nm) er i stand til at passere dobbeltstrenget DNA. På grund af sin natur integreres phi29 motorproteinet, i modsætning til andre porer, ikke i membranen i sin oprindelige form, men dette problem løses ved at modificere proteinet [26] . Andre modifikationer tillader proteinet at springe enkeltstrenget DNA eller enkeltstrenget RNA over [27] .
Ud over protein-nanoporer anvendes også ikke-biologiske faststof-nanoporer. Til analyse af nukleinsyrer anvendes nanoporer i substrater lavet af silicium , siliciumnitrid og polyethylenimin [27] . Porer brændes normalt ud af ion- eller elektronstråler, hvilket gør det nemt at variere deres størrelse [28] . Separat er det værd at fremhæve materialer, der danner meget tynde "2D" porer: grafen , molybdændisulfid og andre [27] . Grafen har også en ekstrem lille tykkelse, hvilket bidrager til en stigning i den rumlige opløsning langs DNA, og samtidig styrke, kemisk inerthed og elektrisk ledningsevne . Disse egenskaber letter brugen af disse materialer i nanopore-sekventering [28] .
GrafenDa grafen er en tynd og ion-tæt struktur, er det et godt nanopore-baseret sekventeringsmateriale. Det blev således demonstreret, at grafen-nanoporer kan bruges som en elektrode til måling af strømmen, der strømmer gennem nanoporer mellem to kamre, der indeholder ioniske opløsninger [28] .
FluorescensdetektionI 2010 blev der udviklet en solid state nanosekvenseringsmetode baseret på fluorescerende signaldetektion . Først omdannes det ønskede DNA til DNA, hvor hver oprindelige base svarer til en kort sekvens. Fluorescerende prober ( molekylære beacons ) hybridiserer til disse korte sekvenser , hvor enden af en probe slukker fluorescensen af fluoroforen i begyndelsen af den anden probe. Samtidig er der kun brug for to typer prober for at kode fire baser: hver base (mere præcist, den korte sekvens, der svarer til den) svarer til to fluorescerende signaler (00, 01, 10 eller 11, hvor 0 svarer til en farve og 1 til en anden). Når det passerer gennem poren, afvikles det resulterende dobbeltstrengede DNA, proben adskilles, og følgelig begynder fluoroforen på den næste probe at lyse [29] [30] .
Fordelene ved metoden omfatter signalets nøjagtighed – kameraerne registrerer signalet meget mere præcist end andre tilgængelige teknikker. Metoden kræver dog forbehandling af prøven: omdannelsen af hvert nukleotid til ca. 12 nukleotider (hvilket også forlænger selve DNA'et) [29] .
Sammenligning af faststof- og biologiske nanoporerFast-state nanoporer er blottet for nogle af ulemperne ved biologiske nanoporer: følsomhed over for pH , temperatur , elektrolytkoncentrationer , mekanisk stress osv. Derudover er de mere stabile, holder længere, det er meget nemmere at opnå en række forskellige former . og størrelser af sådanne porer, og produktionsteknologien ligner produktionen af halvledere , hvilket i høj grad letter processen med at opnå sådanne porer og gør det potentielt muligt at kombinere med andre nanoenheder. Fordelene ved biologiske nanoporer omfatter muligheden for kemisk eller genetisk modifikation, kemisk specificitet for DNA eller RNA og en relativt lav passagehastighed af DNA eller RNA gennem poren [28] [31] .
For at opnå nanoporer kan DNA-origami- teknologi bruges . Denne mulighed blev først demonstreret i 2012, da en struktur svarende til alfa-hæmolysin blev opnået ved hjælp af DNA-origami. Den resulterende struktur blev spontant inkorporeret i membraner [27] .
I 2010 blev det vist, at enkeltvæggede kulstofnanorør også kan være indlejret i membraner og tillade DNA at passere igennem [27] .
Fra 2020 har faststofnanoporer ikke den kemiske specificitet af proteiner; derfor undersøges muligheden for at integrere proteinnanoporer i faststofsubstrater aktivt [28] .
En anden lovende retning er brugen af solid-state nanoporer med sensorer (kapacitive sensorer, tunnel elektroniske og andre detektorer) [28] .
Sammenlignet med eksisterende sekventeringsmetoder har brugen af denne sekventeringsmetode fordele [2] , såsom lave omkostninger og brugervenlighed (på grund af fraværet af behovet for prøveforberedelse og brug af reagenser), høj følsomhed (op til sekventering). uden DNA-amplifikation fra blod og spyt ), høj læselængde (op til titusindvis af baser), høj mobilitet, hurtig analyse og visning af resultater i realtid [2] .
Ulemperne omfatter sådanne egenskaber som den lave kvalitet af læsninger sammenlignet med kortlæste sekventeringsteknologier (denne situation ændrer sig dog til det bedre med fremkomsten af nye algoritmer), tabet af funktionelle egenskaber af biologiske porer over tid (porer fungerer pålideligt kun i et vist tidsrum). kører) og miljøfaktorers indflydelse på hastigheden af aflæsning af sekvensen og følgelig på dens kvalitet (et motorprotein kan kun arbejde med en tilstrækkelig hastighed i et bestemt pH-område, mens det ikke arbejder hurtigt nok uden for rækkevidden) [32] .
I februar 2012 på AGBT-konferencen i Florida præsenterede Oxford Nanopore Technologies prototyper af to platforme til high-throughput-sekventering af lange fragmenter baseret på helstrenget nanopore-sekventering: GridION og MinION. Som en demonstration blev PhiX-bakteriofaggenomet på 5386 bp sekventeret. [19] For 2020 frigiver virksomheden flere enheder. Alle tillader dataanalyse i realtid [33]
MinionMinION er en engangscelle-sequencer i lille størrelse designet til hjemmebrug med en målpris på omkring $900. Sequenceren har et USB 3.0-stik til tilslutning til en computer. Indeholder 512 nanoporer med lignende egenskaber [2] . Cellen giver dig mulighed for at sekvensere op til 30 millioner bp. DNA (på omkring to dage kan 10-20 millioner bp DNA digitaliseres) [34] . I 2019 begyndte virksomheden at udgive Flongle, en adapter til MinION eller GridION, der giver dig mulighed for at arbejde med mindre produktive (~1 Gb, 126 nanoporer i stedet for 512), men meget billigere ($90) celler [35] .
GridIONGridION er en enhed designet til hele genomsekventering (i det væsentlige en MinION med øget gennemstrømning). Prototypen havde 2000 individuelle nanoporer, hver i stand til at modtage læsninger på op til 5100 bp i længden. med en hastighed på 150 millioner bp/t i 6 timer [2] . GridION Mk1 koster $49.955 og indeholder 5 uafhængige celler. Ved hjælp af det kan op til 150 millioner bp sekventeres i ét eksperiment. DNA [36] .
PromethionVirksomhedens højest ydende sequencer tillader sekventering af flere billioner bp i et enkelt eksperiment. DNA. PromethION 24 indeholder 24 celler og er i stand til at digitalisere 3,8 billioner bp på tre dage. DNA, PromethION 48 indeholder 48 celler og er i stand til at digitalisere 7,6 billioner bp på tre dage. DNA. Sekvensercellerne indeholder 3000 nanoporer [37] . En datastrøm fra et sådant antal nanoporer kan ikke analyseres af en konventionel computer, så en supercomputer er påkrævet for at bruge denne sequencer (men hvis du kun kører én celle, så kan en konventionel computer klare det) [37] [38] .
Andre udviklingerVirksomheden planlægger at frigive yderligere to enheder: SmidgION, en sequencer, der forbinder til en smartphone, og Plongle, en sequencer, der indeholder 96 uafhængige, men lav-throughput celler, og derfor er designet til hyppig sekventering af store mængder kort DNA [39] .
Efterbehandling af Oxford Nanopore-dataEfter brug af Oxford Nanopore-produkter er outputtet rådata i FAST5-format. FAST5-formatet, der bruges af Oxford Nanopore, er en variant af HDF5 -standarden med en hierarkisk intern struktur designet til at lagre DNA-sekvensrelaterede metadata og hændelser (aggregerede samlede aktuelle målinger), der er forbehandlet af en fungerende enhed. Behandlingsresultater vises i realtid i MinKNOW grafiske grænseflade, og data optages i FASTQ eller .fast5 [40] filformat . Dernæst skal du udføre nukleotidgenkendelse ( engelsk base calling ). Denne proces vil behandle rå FAST5-formatdata til FASTQ-format (i MinKNOW kan denne proces startes, mens læsninger læses). Du kan også bruge programmer som poreTools [41] , Guppy [42] [43] .
Dernæst skal du rydde op i de modtagne sekvenser for at slippe af med data med for meget støj. Til denne opgave bruges for eksempel programmet NanoFilt [44] [45] . Når dataene er blevet renset, kan de resulterende data derefter bruges til efterfølgende dataindsamling og analyse [43] .
Program ( https://github.com/skovaka/UNCALLED )
Ordbøger og encyklopædier |
---|