Нанопоровое секвенирование: теория и практика

Основные моменты
- проведено сравнительное исследование пригодности отечественной платформы «Нанопорус» и зарубежного аналога MinION для решения задач войск РХБ защиты;
- доказана сопоставимая эффективность платформы «Нанопорус» после применения алгоритмов постобработки;
- ключевые преимущества платформы «Нанопорус»: экономическая эффективность и возможность автономной работы.
Актуальность. Обусловлена необходимостью развития отечественных технологий для оперативной идентификации патогенных биологических агентов (ПБА) в полевых условиях войсками РХБ защиты ВС РФ.
Цель исследования – комплексный обзор теоретических основ и практического использования технологии нанопорового секвенирования, а также перспектив ее внедрения в войсках РХБ защиты ВС РФ.
Материалы и методы. Сравнивали качество сборки геномов систем секвенирования «Нанопорус» (Нанопорус, Россия) и MinION (Oxford Nanopore Technologies, Великобритания). В качестве биологической модели использовали референсный штамм E. coli XL1-Blue (Евроген, Россия). Проведено экспериментальное нанопоровое секвенирование с выделением ДНК, подготовкой библиотек и последующей биоинформатической обработкой данных с использованием инструментов Flye и Medaka. Анализ полноты и точности сборки генома – по показателям N50 и Q-score.
Результаты. Показано, что отечественная платформа «Нанопорус» обеспечивает высокое качество сборки геномов, сопоставимое с результатами, полученными на системе MinION, но при значительно меньших эксплуатационных затратах. Платформа компактна и пригодна для автономной работы в полевых условиях.
Заключение. Платформа «Нанопорус» перспективна для интеграции в состав мобильных лабораторий войск РХБ защиты ВС РФ и может быть использована для решения задач идентификации ПБА.

1. Wang Y, Zhao Y, Bollas A, Wang Y, Au KF. Nanopore sequencing technology, bioinformatics and applications. Nature Biotechnology. 2021;39(11):1348–65. https://doi.org/10.1038/s41587-021-01108-x

2. Peng M, Davis ML, Bentz ML. Short-read and long-read whole genome sequencing for SARS-CoV-2 variants identification. Viruses. 2025;17(4):584. https://doi.org/10.3390/v17040584

3. Brown A, Patel R, Chen S. Cost-effective genomic solutions: the impact of nanopore sequencing in lowresource settings. BMC Genomics. 2022;23(1):100. https://doi.org/10.1186/s12864-022-09001-9

4. Amarasinghe SL, Su S, Dong X, Zappia L, Ritchie ME, Gouil Q. Opportunities and challenges in long-read sequencing data analysis. Genome Biology. 2020;21(1):30. https://doi.org/10.1186/s13059-020-1935-5

5. Logsdon GA, Vollger MR, Eichler EE. Long-read human genome sequencing and its applications. Nature Reviews Genetics. 2020;21(10):597–614. https://doi.org/10.1038/s41576-020-0236-x

6. Pugh J. The Current State of Nanopore Sequencing. Methods in Molecular Biology. 2023;2632:3–14. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-2996-3_1

7. Deamer D, Akeson M, Branton D. Three decades of nanopore sequencing. Nature Biotechnology. 2016;34:518–24. https://doi.org/10.1038/nbt.3423

8. Jain M, Olsen HE, Paten B, Akeson M. The Oxford Nanopore MinION: delivery of nanopore sequencing to the genomics community. Genome Biology. 2016;17:239. https://doi.org/10.1186/s13059-016-1103-0

9. Quick J, Loman NJ, Duraffour S, Simpson JT, Severi E, Cowley L, et al. Real-time, portable genome sequencing for Ebola surveillance. Nature. 2016;530(7589):228–32. https://doi.org/10.1038/nature16996

10. Saiki RK, Gelfand DH, Stoffel S, Scharf SJ, Higuchi R, Horn GT, et al. Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase. Science. 1988;239(4839):487–91. https://doi.org/10.1126/science.2448875

11. Taudt A, Colomé-Tatché M, Johannes F. Genetic sources of population epigenomic variation. Nature Reviews Genetics. 2016;17(6):319–32. https://doi.org/10.1038/nrg.2016.45

12. Li H. Minimap2: pairwise alignment for nucleotide sequences. Bioinformatics. 2018;34(18):3094–100. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bty191

13. De Coster W, Hert DS, Schultz DT, Cruts M, Van BC. NanoPack: visualizing and processing long-read sequencing data. Bioinformatics. 2018;34(15):2666–9. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bty149

14. Koren S, Walenz BP, Berlin K, Miller JR, Bergman NH, Phillippy AM. Canu: scalable and accurate longread assembly via adaptive k-mer weighting. Genome Research. 2017;27(5):722–36. https://doi.org/10.1101/gr.215087.116

15. Ruan J, Li H. Fast and accurate long-read assembly with wtdbg2. Nature Methods. 2020;17:155–8. https://doi.org/10.1038/s41592-019-0669-3

16. Sedlazeck FJ, Rescheneder P, Smolka M, Fang H, Nattestad M, Haeseler A, et al. Accurate detection of complex structural variations using single-molecule sequencing. Nature Methods. 2018;15:461–8. https://doi.org/10.1038/s41592-018-0001-7

17. Тham CY, Tirado-Magallanes R, Goh Y, Fullwood MJ, Koh BTH, Wang W, et al. NanoVar: accurate characterization of patients' genomic structural variants using low-depth nanopore sequencing. Genome Biology. 2020;21:56. https://doi.org/10.1186/s13059-020-01968-7

18. Shafin K, Pesout T, Chang P-C, Nattestad M, Kolesnikov A, Goel S, et al. Haplotype-aware variant calling with PEPPER-Margin-DeepVariant enables high accuracy in nanopore long-reads. Nature Methods. 2021;18:1322–32. https://doi.org/10.1038/s41592-021-01299-w

19. Simpson JT, Workman RE, Zuzarte PC, David M, Dursi LJ, Timp W. Detecting DNA cytosine methylation using nanopore sequencing. Nature Methods. 2017;14:407–10. https://doi.org/10.1038/nmeth.4184

20. Kim D, Song L, Breitwieser FP, Salzberg SL. Centrifuge: rapid and sensitive classification of metagenomic sequences. Genome Research. 2016;26:1721–9. https://doi.org/10.1101/gr.210641.116

21. Robinson JT, Thorvaldsdóttir H, Winckler W, Guttman M, Lander ES, Getz G, et al. Integrative genomics viewer. Nature Biotechnology. 2011;29(1):24–6. https://doi.org/10.1038/nbt.1754

22. Wick RR, Schultz MB, Zobel J, Holt KE. Bandage: interactive visualization of de novo genome assemblies. Bioinformatics. 2015;31(20):3350–2. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btv383

23. Nicholls SM, Quick JC, Tang S, Loman NJ. Ultra-deep, long-read nanopore sequencing of mock microbial community standards. GigaScience. 2019;8(5):giz043. https://doi.org/10.1093/gigascience/giz043

24. Lander ES, Linton LM, Birren B, Nusbaum C, Zody MC, Baldwin J, et al. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature. 2001;409(6822):860–921. https://doi.org/10.1038/35057062

25. Mardis ER. Next-generation DNA sequencing methods. Annual Review of Genomics and Human Genetics. 2008;9:387–402. https://doi.org/10.1146/annurev.genom.9.081307.164359

26. Goodwin S, McPherson JD, McCombie WR. Coming of age: Ten years of next-generation sequencing technologies. Nature Reviews Genetics. 2016;17(6):333–51. https://doi.org/10.1038/nrg.2016.49