MinION читает ДНК амперметром: измерительная система живёт в расходнике

Карманный секвенсор MinION узнаёт последовательность ДНК по тому, как отдельная молекула меняет ток через белковую нанопору. В сменной flow cell спрятаны микрофлюидика, массив электродов и специализированная ASIC, одновременно снимающая сотни слабых и шумных электрохимических сигналов. Внешний USB-блок с FPGA лишь питает, термостабилизирует и вывозит этот поток на компьютер.

Чтобы узнать буквы ДНК, MinION не фотографирует молекулу и не метит её флуоресцентным красителем. Он протягивает DNA или RNA через белковую нанопору в мембране и непрерывно измеряет ионный ток. Молекула частично перекрывает канал поры, локальная комбинация нуклеотидов меняет проводимость, а на выходе возникает временной ряд. Basecalling уже сопоставляет его фрагменты с последовательностью оснований.

Разбор старого Oxford Nanopore MinION, опубликованный Hackaday по видео Mike Harrison, хорошо показывает инженерное разделение труда. В корпусе прибора обнаружились Xilinx Spartan-6, USB-интерфейс, питание и тонкий вентилятор. Этот блок Mk1B работает как интерфейс между ПК и расходной flow cell: подаёт питание на ASIC, контролирует температуру, защищает тракт от помех и передаёт данные по USB 3.0. Spartan-6 относится к конкретному разобранному экземпляру, а не к заявленной спецификации всех поколений MinION.

Сам прибор находится в flow cell. Под её жидкостной камерой стоят сенсорный массив и ASIC, рядом живут клапаны, порты подачи образца и канал отвода жидкости. Через камеру объёмом 100 µL проходит электролит с биологическим образцом, над каждым выбранным электродом работает нанопора. Получается очень плотная граница между микрофлюидикой и аналоговой электроникой: токи лежат в диапазоне от десятков до тысяч пикоампер, частота захвата в типовых режимах составляет 2–20 кГц.

В актуальной документации Oxford Nanopore указаны 2048 активных электродных wells, однако это не 2048 одновременно работающих АЦП. ASIC обслуживает 512 измерительных каналов, каждый через 4:1 MUX выбирает один из четырёх wells. Производитель указывает raw-поток 512 каналов по 33 кГц. ASIC задаёт смещение электродов до ±1 V, выбирает входы мультиплексора, переключает диапазон тока, задаёт частоту захвата и фильтрацию. В таком масштабе это уже не один биоэлектрический датчик, подключённый к микроконтроллеру, а массив синхронных low-noise измерительных трактов.

Особенно выразительна упаковка сенсора. Независимый инженерный разбор flow cell описывает расположение массива и ASIC по разные стороны платы с коротким межсоединением. Для пикоамперного фронтенда лишняя входная ёмкость сразу превращается в шум и ограничения по полосе, поэтому сантиметры дорожек здесь становятся частью измерительной схемы. Микрофлюидный расходник фактически несёт одноразово подключаемый высокоплотный mixed-signal прибор.

MinION меняет привычный образ секвенирования: информация о последовательности сначала добывается физическим экспериментом над каждой молекулой. Белковая пора превращает химию в ток, ASIC превращает ток в сотни цифровых временных рядов, FPGA и USB доставляют их компьютеру. Алгоритм basecalling работает уже с данными, которые были извлечены из жидкости настоящей измерительной электроникой.

Источники: разбор Hackaday и Mike Harrison, техническая документация Oxford Nanopore по MinION и flow cell, статья Jain et al. в Genome Biology, инженерный разбор ASeq Newsletter.
https://hackaday.com/2026/08/10/teardown-of-an-oxford-nanopore-minion-dna-sequencer