211service.com
Genom za 100 dolarů
V současné době stojí sekvenování lidského genomu zhruba 60 000 USD a hrstka výzkumných skupin doufá, že během příštích tří let dosáhnou genomu 1 000 USD. Ale dvě společnosti, Kompletní genomika a BioNanomatrix , spolupracují na vytvoření nového přístupu, který by sekvenoval váš genom za méně než cenu pěkných džín – a technologie by dokázala přečíst celý genom za jediný pracovní den. Před 10 lety by bylo absolutně nemožné o tomto projektu přemýšlet, říká Radoje Drmanáč , hlavní vědecký ředitel společnosti Complete Genomics se sídlem v Mountain View, CA.
Levná sekvence: Protažení dlouhých molekul DNA přes kanály o velikosti nano na speciálně vyrobeném čipu by mohlo poskytnout levnější způsob sekvenování DNA. Tento obrázek ukazuje plátek vyvinutý společností BioNanomatrix. Každý obdélník je čip nanoanalyzátoru s 50 000 kanály.
Nejnovější údaje o sekvenování lidského genomu jsou 60 000 dolarů za přibližně šest týdnů, jak uvádí Aplikované biosystémy minulý měsíc. (To je méně než 3 miliardy USD za projekt Human Genome Project, který byl sekvenován pomocí tradičních metod a dokončen v roce 2003, a asi 1 milion USD za genom Jamese Watsona, sekvenovaný pomocí novějšího, vysoce výkonného přístupu a vydaný loni.) stále závodí ve vývoji metod, které jsou dostatečně rychlé a levné, aby umožnily každému sekvenovat své genomy, čímž skutečně zahajují éru personalizované medicíny.
Většina existujících technologií detekuje sekvenci DNA po jediném písmenu. Ale Complete Genomics má za cíl urychlit proces detekcí celých slov, z nichž každé se skládá z pěti písmen DNA. Drmanac přirovnává technologii k vyhledávání Google, které dotazuje databázi textu pomocí klíčových slov. K dalšímu urychlení procesu díky nové chemii a pokrokům v nanovýrobě společnosti vyvinou zařízení, které dokáže současně číst sekvenci více genomů na jediném čipu.
Aby bylo možné provést nové sekvenování, vědci nejprve vygenerují všechny možné kombinace pětipísmenných segmentů DNA s ohledem na čtyři písmena nebo základy, které tvoří veškerou DNA. Tyto segmenty jsou označeny různými typy fluorescenčních markerů a přidány ve skupinách k jednovláknové molekule DNA. Když se určitý segment shoduje se sekvencí na řetězci DNA, který má být přečten, naváže se na tuto část molekuly. Specializovaná kamera poté pořídí snímek – různé fluorescenční signály indikují sekvenci v konkrétních bodech podél řetězce DNA. Proces se opakuje s různými pětipísmennými kombinacemi DNA, dokud není sekvenován celý chromozom. Tento přístup je proveditelný díky nedávné dostupnosti levné syntézy DNA, díky čemuž je mnohem efektivnější vytvářet knihovny těchto segmentů DNA.
Každá molekula DNA bude navlečena do nanofluidického zařízení vyrobeného společností BioNanomatrix z Philadelphie, lemovaného řadami malých kanálků. Úzká šířka kanálů – asi 100 nanometrů – nutí normálně zamotanou DNA se rozvinout, seřadit se jako vlak v dlouhém tunelu a poskytnout výzkumníkům jasný pohled na molekulu. Protože můžeme natáhnout DNA, můžeme získat obrovské množství informací z každého kousku DNA, na který se podíváme, říká Mike Boyce-Jacino , výkonný ředitel BioNanomatrix. Velký rozdíl od jakéhokoli jiného přístupu spočívá v tom, že se díváme na fyzické umístění ve stejnou dobu, kdy se díváme na sekvenční informace. V současné době používané sekvenační metody sekvenují malé fragmenty DNA a poté spojují umístění každého fragmentu výpočetně, což je časově náročnější a vyžaduje opakované sekvenování.
Společnosti mají ještě dlouhou cestu ke genomu za 100 dolarů. BioNanomatrix již ukázal, že dlouhé kusy DNA – dva miliony písmen dlouhé – lze navléknout do kanálků stávajících čipů. Nyní však výzkumníci potřebují vyvinout čipy s mnohem více kanály, aby bylo možné sekvenovat více genomů DNA současně.
Hlavní překážkou pro Complete Genomics bude generování fluorescenčních značek, které lze snadno a přesně detekovat. Většina současných metod tento problém překonává vytvořením mnoha kopií stejné molekuly DNA a jejich současným sekvenováním, čímž se zvýší poměr signálu k šumu. Ale tento přístup omezuje délku části DNA, kterou lze sekvenovat, a zvyšuje náklady tím, že zvyšuje množství chemikálií potřebných pro reakci.
Projekt je součástí Program pro pokročilé technologie financovaný Národním institutem pro standardy a technologie s cílem podnítit vývoj nových vysoce rizikových technologií. Tento rok Complete Genomics vydává komerční produkt založený na podobné chemii, ale společnost odmítla poskytnout podrobnosti o jeho stavu.
Technologie nezbytná k dosažení genomu za 100 dolarů je stále vzdálena nejméně pět let, říká George Church , genetik na Harvard Medical School v Bostonu a člen vědeckého poradního výboru Complete Genomics. Ale [pochází] od společnosti, která má letos vydanou téměř stejně dobrou technologii.
Oba Drmanac a Boyce-Jacino říkají, že jednou z největších výhod jejich technologie bude schopnost sekvenovat velmi dlouhá vlákna DNA. Nejnovější sekvenační technologie, které se dnes používají, čtou DNA v poměrně krátkých úsecích, přibližně 30 až 200 písmen, která jsou poté spojena dohromady počítačem. Tento přístup funguje dobře pro některé aplikace, jako je resekvenování známého genomu. Ale rostoucí počet studií naznačuje, že malé strukturální změny v DNA, jako jsou delece nebo inverze krátkých sekvencí, hrají významnou roli v lidské variabilitě, říká Jeff Castle , programový ředitel pro vývoj technologií v National Human Genome Research Center, Bethesda, MD. Ty je mnohem těžší zachytit krátkým čtením.
Delší čtení také umožní vědcům podívat se na sbírky genetických variací, které byly zděděny společně, známé jako haplotypy. Tento druh analýzy může určit, zda konkrétní genetická variace byla předána od matky nebo otce jedince. Nedávný výzkum naznačuje, že v některých případech může závažnost onemocnění ovlivnit dědičnost po matce nebo otci. S novými nástroji pro lepší sledování vzorců dědičnosti mohou vědci zjistit, že tento jev je častější, než se dříve myslelo. To je jeden z důvodů, proč doufáme, že několik nových metod umožní dlouhé čtení, říká Schloss.