Конструкция модели секвенатора ДНК. Эти конструкции непрерывно совершенствуются. Однако принципиальные черты устройства автоматических секвенаторов, по-видимому, в ближайшие годы сохранятся для всех моделей. Поэтому здесь я остановлюсь более или менее подробно на описании основных элементов конструкции прибора ABI Prism 377, выпущенного в 1995 году.

В основном блоке электрофореза, как и в любом приборе с вертикально стоящими пластинами, имеются верхний и нижний резервуары для буфера, электроды и источник напряжения. Ввиду последующего оптического сканирования обеспечивается строго фиксированная установка сменных пластин с ПААГ. Возможно использование гелей различной концентрации (обычно в пределах 4,5-6%). Толщина геля — менее 1 мм. Ширина рабочей его части — 16 см. Длину пластины можно выбрать в 24, 34 и 48 см. В верхней части геля имеется 36 карманов для препаратов. Таким образом электрофорез можно вести одновременно в 36 треках. Предусмотрен отвод выделяющегося при этом тепла.

Особенностью готовой пластины с гелем является наличие «окна» в нижней части пластины. Окно высотой в 2 см вырезано по всей ширине рабочей части пластины и отстоит на 2,5 см от ее нижнего края. Наличие окна связано с принципиально иным, чем было описано ранее, способом регистрации полос после прекращения электрофореза, обусловленного тем, что наиболее быстро мигрирующая полоса достигала нижнего края пластины. В этом случае медленно мигрирующие полосы, соответствующие более крупным отрезкам ДНК, теснились в верхней части геля и были трудноразделимы при анализе рентгеновской пленки.

В автоматическом секвенаторе полосы в геле проходят мимо окна, регистрируются в процессе этого прохождения и далее покидают гель, уходя в резервуар с нижним буфером. При достаточной продолжительности, электрофореза (16—20 часов) мимо окна проходят все полосы, в том числе те, в которых мигрируют самые длинные отрезки ДНК, несущие флюоресцентную метку. Регистрация производится оптическим способом — по флюоресценции. Для этой цели используется следующий набор инструментов:

1. Луч аргонового лазера фокусируется в точку на середине высоты окна. Сам лазер установлен на каретке возвратно-поступательно перемещающейся на всю ширину окна, прочерчивая таким образом тонкую линию, пересекающую все треки разделения ДНК. За то время, когда в каком-либо из треков мимо окна проходит одна из полос, содержащая меченые отрезки ДНК определенной длины, эта полоса сканируется лучом лазера много раз по всей ее толщине в направлении миграции.

2. Возникающее при этом излучение флюоресценции определенного цвета (и постепенно изменяющейся интенсивности) проецируется оптической системой на входную щель спектрофотометра и падает на отражающую дифракционную решетку. В зависимости от длины волны флюоресценции дифракционная решетка отражает цветной луч в определенное положение на выходе спектрофотометра. Информация об этом положении поступает в компьютер, обеспечивая идентификацию дидезоксирибонуклеотида, которым заканчиваются данные отрезки ДНК.

3. Выходя из спектрофотометра, луч попадает в камеру для измерения его интенсивности, где используется явление фотоэлектронной эмиссии. Соответствующий электрический сигнал также поступает в компьютер.

4. В компьютере регистрируются и все перемещения лазера поперек пластины геля, что позволяет разнести вышеназванную информацию по его трекам.

5. Для каждого трека отдельно, по мере прохождения в нем полос любого цвета флюоресценции, компьютер ведет их счет, определяя тем самым последовательность нуклеотидов во всех секвенируемых одновременно фрагментах ДНК.

6. Все картины прохождения флюоресцирующих полос мимо окна пластины в каждом треке в реальном времени проецируются на дисплей прибора.

7. По окончании процесса электрофореза полученные данные обрабатываются компьютером и печатаются в виде четырехцветных графиков для каждого трека, где видна вся картина следования пиков, их нумерация и однобуквенные обозначения соответствующих нуклеотидов. Благодаря измерению интенсивности каждого цвета флюоресценции вершины пиков хорошо различимы.

Здесь необходимо сделать небольшое отступление. Хотя и было сказано, что рассматривать различные модели секвенаторов не имеет смысла, об одной из них, принадлежащей к последнему поколению, стоит вкратце написать и вот почему. Принципиальное его устройство такое же, но в интересах дальнейшего повышения продуктивности применена новинка, общие перспективы которой следует обсудить. Электрофорез в этом приборе ведут не на пластине геля, а в капиллярах! Вот, как это делается.

В прибор (Beckman СЕФ-2000) устанавливают плашку на 96 лунок (12 рядов по 8 лунок), куда заранее вносят продукты реакций, проведенных по тому же методу Сэнджера с четырьмя люминесцентно мечеными дидезоксирибонуклеотидами. Тандемом к ней ставят вторую точно такую же плашку, лунки которой заполнены буфером. Сам ПААГ готовят так, что он не может запо-лимеризоваться до твердого состояния, а представляет собой вязкую жидкость. Прибор заряжают картриджем, заполненным таким гелем. Восемь тонких и гибких пластмассовых капилляров, длиной около метра, с одного конца закреплены в пластине так, что расстояние между ними равно расстоянию между лунками одного ряда плашки. Концы капилляров выступают из пластины и одеты металлическими трубочками, электрически соединенными с катодом источника высокого напряжения. Благодаря этому в каждую лунку, куда опускаются кончики капилляров, подается отрицательное напряжение электрофореза. Вторые концы капилляров собраны в некий зажим, где они располагаются в одной плоскости вплотную друг к другу. Выходя из дальнего конца этого зажима все восемь капилляров открываются в одну емкость с буфером, куда подается положительное напряжение электрофореза. Но перед этим в окне зажима, против которого приходятся прозрачные участки капилляров, все они сканируются лучом лазера и «отвечают» на это флюоресценцией проходящего мимо фрагмента ДНК. Далее все происходит так же, как описано для секвенатора с пластиной геля.

Но вернемся к началу операции. Первоначально пустые капилляры при помощи насоса целиком заполняются гелем из картриджа. Затем концы их автоматически переносятся и опускаются в восемь лунок первого ряда плашки препаратов. Включается умеренное напряжение и все отрицательно заряженные фрагменты ДНК в течение нескольких секунд входят в гель — из каждой лунки в «свой» капилляр. После этого концы капилляров автоматически переносят в лунки первого ряда плашки с буфером. Напряжение повышается до рабочей величины электрофореза, который продолжается 2 часа. По его окончании гель, с помощью того же насоса выталкивается из капилляров, а сами они промываются водой. Затем капилляры заполняются новыми порциями геля и все операции повторяются для второго ряда лунок с препаратом. И так до последнего, 12-го ряда. За 24 часа прибор может провести электрофорез 96-ти препаратов. Если в одном капилляре удается расшифровать последовательность в 500 нуклеотидов, то всего за одни сутки прибор может определить последовательность для 49 тысяч нуклеотидов. Кроме того оператор освобождается от трудоемкого приготовления пластин с гелем и деликатной операции внесения исходных препаратов в его «карманы».