Третье поколение
В феврале на церемонии «Человек года – 2023» её лауреатом в номинации «Наука» стал завлабораторией оптических методов секвенирования молекул ДНК, в.н.с. ИСАНа Павел Мелентьев. Жюри отметило его вклад в работу по созданию одномолекулярного секвенатора ДНК. Подобные устройства сегодня производят только две компании в мире: американская и британская. А на днях в центральной прессе появилась публикация о том, что опытный российский образец уже проходит тестовую эксплуатацию.
Казалось бы, тематика ИСАНа далека от биологии. Однако спектроскопия, как говорят учёные, – это зрение современной науки. С помощью неё уже можно видеть единичные атомы и молекулы.
А теперь – и наблюдать их превращения, такие как репликация ДНК, в реальном времени.
Прибор, о котором идёт речь, относят к 3-му поколению секвенаторов. Первый метод предложил Фредерик Сэнгер в 1977-м (и получил свою Нобелевскую премию). Метод Сэнгера применяется там, где надо надёжно определить короткий (до 1 000 «букв» генома, а всего их 3 миллиарда) отрезок ДНК: например, в криминалистике или при определении родства. В 2001-м был полностью расшифрован геном человека – огромное свершение! А вскоре рынок завоевали системы второго поколения (NGS, Next Generation Sequencing), сделавшие этот процесс рутинным. Они работают с более короткими отрезками (десятки и сотни нуклеотидов), которые «сшиваются» на компьютере. Для этого ДНК разделяют на короткие участки и многократно копируют методом ПЦР c использованием флуоресцентных меток, благодаря которым и определяются нуклеотиды. В 2010-х на арену выходят методы третьего поколения. Они справляются с цепочками в 15 – 20 тысяч и анализируют их в реальном времени, так что полная расшифровка генома занимает уже не недели, а дни. На рынке сейчас, по сути, есть две компании с разными технологиями одномолекулярного секвенирования –
британская Oxford Nanopore и американская Pacific Biosciences, чей метод и был взят за ориентир в российском проекте.
Головной организацией стал Институт аналитического приборостроения РАН (Петербург), в кооперацию вошли также ООО «Синтол» (Москва), Центр информационных и вычислительных технологий (Новосибирск), Алфёровский университет (Петербург) и МГТУ им. Баумана. Заказчик – Минобрнауки.
Работа началась 2,5 года назад. «Как-то я возвращался из лаборатории. Помню: сижу в машине, лето, июль, жаркий вечер. Зво-
нок», – вспоминает Павел Мелентьев. Звонил научный директор ООО «Синтол» Яков Алексеев. «Хотим предложить вам создавать секвенаторы», – сказал он. «Это же генетика, мы к ней не имеем никакого отношения!» – удивился Павел. Коллеги убедили, что потенциал, который есть в лаборатории, принципиально важен именно для создания одномолекулярного секвенатора.
Речь идёт о достижениях выдающихся учёных ИСАНа – профессоров Владилена Летохова и Виктора Балыкина. «Ещё в 70-е годы именно Виктор Иванович Балыкин впервые в мире продемонстрировал оптическое детектирование одиночных атомов с помощью лазерного излучения», –
подчёркивает Мелентьев. Развивает эту тему и докторская диссертация, которую защитил в 2022 году Павел, посвящённая плазмонной оптике, её теории, экспериментам и приложениям как раз в области детектирования биомолекул и вирусов. В работе было впервые доказано, что единичное наноотверстие в плёнке металла может являться ключевым элементом нанооптики, наноплазмоники и сенсорики. Каков, если коротко, вклад ИСАНа в секвенатор? «Это поиск возможностей одновременного наблюдения за большим числом (сейчас до 100 тысяч, в будущем до 1 млн) реакций секвенирования, с разработкой оптической технологии, которая бы позволяла эффективно регистрировать одновременно и независимо друг от друга флуоресценцию большого числа единичных молекул, – говорит Мелентьев. – Для этого использовались самые современные методы нанооптики и нанофотоники, включая создание «оптического чипа», образованного серебряной плёнкой с сеткой наноотверстий. В них и происходит процесс репликации ДНК, за которым следит секвенатор».
«Задача оказалась гораздо сложнее, чем мы думали поначалу, – подытоживает Мелентьев. – Она сравнима с полётом человека в космос и потребовала работы гигантского коллектива». Зато достигнута рекордная длина прочтения – до 20 тыс. пар оснований (в экспериментах и до 100 тыс.), которая упрощает общую сборку «пазла» и позволяет легче отслеживать изменения в геноме. Сейчас опытный образец проходит проверку, идут работы для предсерийного производства, намеченного на 2026-2027 годы. По оценкам, в российских НИИ есть спрос как минимум на 100 таких приборов.
Владимир МИЛОВИДОВ,
фото Александра КОРНЕЕВА