Sekwencjonowanie DNA w mgnieniu oka

Nowatorska technologia sekwencjonowania opracowana przez startup z Massachusetts umożliwia naukowcom robienie zdjęć sekwencji cząsteczki DNA. William Glover , prezydent Genetyka ZS , z siedzibą w North Reading, MA, twierdzi, że jego podejście umożliwi naukowcom odczytywanie długich odcinków DNA, umożliwiając sekwencjonowanie trudnych do odczytania obszarów, takich jak wysoce powtarzalne regiony roślin i niektóre części ludzkiego genomu. Dłuższe sekwencje umożliwiają również naukowcom rozróżnienie chromosomów matczynych i ojcowskich, co może mieć ważne zastosowania diagnostyczne.

Widząc sekwencję: Ten obraz przedstawia klaster cząsteczek DNA (czarne nici), które zostały zsyntetyzowane przy użyciu specjalnie oznakowanych zasad, aby były widoczne pod mikroskopem elektronowym. Naukowcy wykorzystują tę technikę do opracowania nowatorskiej technologii sekwencjonowania.

Naukowcy na niedawnej konferencji sekwencjonowania w San Diego – na której po raz pierwszy przedstawiono szczegóły technologii – byli zaintrygowani tym podejściem, ponieważ jest ono zupełnie inne niż nawet najnowsze metody na rynku. To zaskakujące i potencjalnie bardzo potężne, mówi Władimir Benesz , kierownik Genomics Core Facility w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej w Niemczech.

Koszt sekwencjonowania DNA gwałtownie spadł od czasu ukończenia roboczego szkicu ludzkiego genomu w 2001 roku. Większość najnowszych obecnie stosowanych technologii generuje bardzo krótkie sekwencje, około 30 do 150 par zasad, które są następnie łączone za pomocą specjalnego oprogramowania. Ale ta metoda nie zawsze wychwytuje wszystkie informacje w genomie, a niektóre części genomu są trudne do zsekwencjonowania w ten sposób, mówi Glover.

ZS Genetics jest stosunkowo nowicjuszem w tej dziedzinie i stosuje podejście znacznie odmienne od wszystkich innych: mikroskopię elektronową. Glover przewiduje, że do przyszłego roku technologia firmy będzie w stanie generować czytelne długości DNA, które mają długość tysięcy par zasad, i uważa, że ​​metoda sekwencjonowania ZS Genetics poprawi się o dziesięciokrotnie w ciągu najbliższych kilku lat. dzięki czemu elementy są jeszcze łatwiejsze w montażu. Firma została niedawno zaakceptowana jako jeden z zespołów w Archon X Prize for Genomics, nagrodę w wysokości 10 milionów dolarów dla pierwszego prywatnego zespołu, który może zsekwencjonować 100 ludzkich genomów w 10 dni.

Jakakolwiek technologia, która może sprowadzić długość odczytu do zakresu 1000 par zasad, z pewnością, przynajmniej w przypadku sekwencjonowania de novo, będzie stanowić duży przełom, mówi Benes. Twierdzi, że podejście to może być szczególnie przydatne do sekwencjonowania genomów roślin, które często mają bardzo złożone genomy zaśmiecone powtarzającymi się sekwencjami, które są trudne do złożenia obliczeniowego.

DNA o szerokości 2,2 nanometra jest niewidoczne pod przeciętnym mikroskopem świetlnym.

Ale mikroskopy elektronowe, które wykrywają różnicę ładunków między atomami, mają rozdzielczość subnanometrów. Podczas gdy sekwencja naturalnego DNA nie ma wystarczającego kontrastu, aby można ją było rozróżnić za pomocą mikroskopii elektronowej, Glover i jego koledzy opracowali nowy system znakowania, aby cząsteczki były bardziej widoczne.

Naukowcy syntetyzują nową komplementarną nić cząsteczki, która ma zostać zsekwencjonowana przy użyciu zasad – liter tworzących DNA – znakowanych jodem i bromem. Oznakowane zasady pojawiają się pod mikroskopem elektronowym jako duże lub małe kropki, umożliwiając naukowcom odczytanie sekwencji. (Do odczytania sekwencji czterech zasad znalezionych w DNA potrzebne będą trzy różne etykiety. Trzy z zasad będą miały różne etykiety; czwarta po prostu pozostanie nieoznaczona.)

Podłoże, na którym obrazowane są nowo oznakowane cząsteczki, jest wytwarzane przy użyciu technik wytwarzania półprzewodników. Naukowcy wytwarzają płytki krzemowe z okienkiem o grubości 11 nanometrów, które jest wystarczająco cienkie, aby wiązka elektronów mikroskopu mogła odróżnić cząsteczkę DNA od podłoża. ZS Genetics pracuje również nad tworzeniem jeszcze cieńszych wafli, aby zwiększyć rozdzielczość obrazu.

DNA ma tendencję do zwijania się w splątaną masę, więc jednym z największych wyzwań było rozplątanie tej kulki w liniowe nici, które można odczytać. Naukowcy najpierw przepuszczają płyn przez urządzenie mikroprzepływowe z maleńkimi kanałami. To urządzenie pasuje do wafla pokrytego DNA. Siła przepływu rozciąga cząsteczki DNA, które następnie przyklejają się do krzemu. Wiązka elektronów jest przepuszczana przez wafel, a kamera rejestruje obraz z drugiej strony. Wafel jest głównym zastrzeżonym materiałem eksploatacyjnym, mówi Glover. Będzie tanio.

Po rozciągnięciu DNA wygląda jak drabina z podstawami tworzącymi szczeble. Do tej pory firma opublikowała obrazy 23-kilozasadowego fragmentu DNA przy użyciu jednego typu oznaczonej zasady. Glover mówi, że on i jego zespół również wykonali sekwencjonowanie multilabel, chociaż odmówił podania dodatkowych szczegółów.

Jednak technologia ma jeszcze wiele do zrobienia, zanim będzie gotowa na rynek. Wiele metod sprawdzania zasad może działać w badaniach i rozwoju, ale wprowadzenie ich na rynek nie jest trywialne, mówi Benes. Glover zamierza tego lata stworzyć prototyp, który naukowcy będą mogli przetestować, oraz szybszy system komercyjny w przyszłym roku. Dodaje, że ponieważ większość systemu opiera się na istniejących technologiach, aktualizacja systemu o nowe kamery i oprogramowanie będzie łatwa i niedroga.

Dłuższe odczyty pozwolą 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, zjawisko, które może być częstsze niż wcześniej sądzono.

ukryć