Genom za 100 $

Obecnie sekwencjonowanie ludzkiego genomu kosztuje około 60 000 USD, a kilka grup badawczych ma nadzieję, że w ciągu najbliższych trzech lat uzyska genom o wartości 1000 USD. Ale dwie firmy, Pełna genomika oraz BioNanomatryca , współpracują, aby stworzyć nowatorskie podejście, które zsekwencjonuje Twój genom za mniej niż cenę ładnej pary dżinsów – a technologia może odczytać cały genom w ciągu jednego dnia roboczego. 10 lat temu byłoby absolutnie niemożliwe myśleć o tym projekcie, mówi Radoje Drmanac , dyrektor ds. naukowych w Complete Genomics z siedzibą w Mountain View w Kalifornii.

Tania sekwencja: Przewlekanie długich cząsteczek DNA przez kanały o rozmiarach nano na specjalnie wyprodukowanym chipie może zapewnić tańszy sposób sekwencjonowania DNA. Ten obraz przedstawia opłatek opracowany przez BioNanomatrix. Każdy prostokąt to chip nanoanalizatora z 50 000 kanałów.

Najnowsze dane liczbowe dotyczące sekwencjonowania ludzkiego genomu wynoszą 60 000 USD w około sześć tygodni, jak donosi Stosowane Biosystemy w zeszłym miesiącu. (To spadek z 3 miliardów dolarów na Human Genome Project, który został zsekwencjonowany tradycyjnymi metodami i zakończony w 2003 roku, oraz około 1 miliona dolarów na genom Jamesa Watsona, zsekwencjonowany przy użyciu nowszego, wysokoprzepustowego podejścia i opublikowany w zeszłym roku). wciąż ścigają się, aby opracować metody, które są wystarczająco szybkie i tanie, aby umożliwić każdemu zsekwencjonowanie ich genomów, co naprawdę zapoczątkowuje erę medycyny spersonalizowanej.

Większość istniejących technologii wykrywa sekwencję DNA pojedynczo. Ale Complete Genomics ma na celu przyspieszenie procesu poprzez wykrywanie całych słów, z których każde składa się z pięciu liter DNA. Drmanac porównuje tę technologię do wyszukiwania Google, które przeszukuje bazę danych tekstu za pomocą słów kluczowych. Dalsze przyspieszenie procesu dzięki nowatorskim rozwiązaniom chemicznym i postępom w nanowytwarzaniu pozwoli firmom opracować urządzenie, które będzie w stanie jednocześnie odczytywać sekwencję wielu genomów na jednym chipie.

Aby przeprowadzić nowe sekwencjonowanie, naukowcy najpierw generują wszystkie możliwe kombinacje pięcioliterowych segmentów DNA, biorąc pod uwagę cztery litery lub zasady, które składają się na całe DNA. Segmenty te są znakowane różnymi typami markerów fluorescencyjnych i dodawane grupami do jednoniciowej cząsteczki DNA. Kiedy określony segment pasuje do sekwencji na odczytywanej nici DNA, wiąże się on z tą częścią cząsteczki. Następnie wyspecjalizowana kamera robi zdjęcie – różne sygnały fluorescencyjne wskazują sekwencję w określonych punktach wzdłuż nici DNA. Proces jest powtarzany z różnymi pięcioliterowymi kombinacjami DNA, aż do zsekwencjonowania całego chromosomu. Podejście to jest wykonalne ze względu na niedawną dostępność taniej syntezy DNA, co znacznie zwiększa wydajność generowania bibliotek tych segmentów DNA.

Każda cząsteczka DNA zostanie wkręcona do urządzenia nanofluidycznego, wykonanego przez firmę BioNanomatrix z Filadelfii, wyłożonego rzędami maleńkich kanałów. Wąska szerokość kanałów – około 100 nanometrów – zmusza normalnie splątane DNA do rozwijania się, ustawiając się jak pociąg w długim tunelu i dając naukowcom wyraźny widok cząsteczki. Ponieważ możemy rozciągnąć DNA, możemy uzyskać ogromną ilość informacji z każdego fragmentu DNA, na który patrzymy, mówi Mike Boyce-Jacino , dyrektor generalny BioNanomatrix. Duża różnica w stosunku do każdego innego podejścia polega na tym, że patrzymy na fizyczną lokalizację w tym samym czasie, gdy patrzymy na informacje o sekwencji. Obecnie stosowane metody sekwencjonowania wykorzystują sekwencjonowanie małych fragmentów DNA, a następnie obliczenie lokalizacji każdego fragmentu, co jest bardziej czasochłonne i wymaga powtarzalnego sekwencjonowania.

Firmy mają jeszcze długą drogę do genomu za 100 dolarów. BioNanomatrix już wykazał, że długie fragmenty DNA – o długości dwóch milionów liter – można wciągnąć w kanały istniejących chipów. Ale teraz naukowcy muszą opracować chipy z wieloma kanałami, aby wiele genomów DNA mogło być jednocześnie sekwencjonowane.

Główną przeszkodą dla Complete Genomics będzie wygenerowanie znaczników fluorescencyjnych, które można łatwo i dokładnie wykryć. Większość obecnych metod rozwiązuje ten problem, wykonując wiele kopii tej samej cząsteczki DNA i sekwencjonując je jednocześnie, zwiększając w ten sposób stosunek sygnału do szumu. Ale to podejście ogranicza długość fragmentu DNA, który można zsekwencjonować, i zwiększa koszt poprzez zwiększenie ilości chemikaliów potrzebnych do reakcji.

Projekt jest częścią Program zaawansowanych technologii , finansowany przez Narodowy Instytut Standardów i Technologii w celu pobudzenia rozwoju nowatorskich technologii wysokiego ryzyka. W tym roku Complete Genomics wypuszcza komercyjny produkt oparty na podobnej chemii, ale firma odmówiła podania szczegółów dotyczących jego statusu.

Technologia niezbędna do uzyskania genomu za 100 dolarów jest wciąż odległa o co najmniej pięć lat, mówi Kościół Jerzego , genetyk z Harvard Medical School w Bostonie i członek naukowej rady doradczej Complete Genomics. Ale [to] pochodzi od firmy, która ma prawie tak dobrą technologię, która pojawi się w tym roku.

Obydwa Drmanac i Boyce-Jacino twierdzą, że jedną z największych zalet ich technologii będzie możliwość sekwencjonowania bardzo długich nici DNA. Najnowsze technologie sekwencjonowania, które są obecnie używane, odczytują DNA w dość krótkich seriach, od około 30 do 200 liter, które są następnie łączone przez komputer. To podejście sprawdza się w niektórych zastosowaniach, takich jak resekwencjonowanie znanego genomu. Jednak rosnąca liczba badań sugeruje, że drobne zmiany strukturalne w DNA, takie jak delecje lub inwersje krótkich sekwencji, odgrywają znaczącą rolę w zmienności ludzkiej, mówi Jeff Castle , dyrektor programowy rozwoju technologii w National Human Genome Research Center w Bethesda, MD. Te są znacznie trudniejsze do wyłapania przy krótkich odczytach.

Dłuższe odczyty pozwolą również naukowcom przyjrzeć się zbiorom wariacji genetycznych, które zostały odziedziczone razem, zwanych haplotypami. Ten rodzaj analizy może określić, czy konkretna zmienność genetyczna została przekazana przez matkę lub ojca danej osoby. Ostatnie badania sugerują, że w niektórych przypadkach dziedziczenie po matce lub ojcu może wpływać na ciężkość choroby. Dzięki nowym narzędziom do lepszego śledzenia wzorców dziedziczenia naukowcy mogą odkryć, że zjawisko to jest bardziej powszechne niż wcześniej sądzono. To jeden z powodów, dla których mamy nadzieję, że kilka nowych metod pozwoli na długie odczyty, mówi Schloss.

ukryć