Genomet på 100 dollar

Det koster for tiden omtrent 60 000 dollar å sekvensere et menneskelig genom, og en håndfull forskningsgrupper håper å oppnå et genom på 1 000 dollar i løpet av de neste tre årene. Men to selskaper, Komplett genomikk og BioNanomatrise , samarbeider for å lage en ny tilnærming som vil sekvensere genomet ditt for mindre enn prisen for et par fine jeans – og teknologien kan lese hele genomet på en enkelt arbeidsdag. Det hadde vært helt umulig å tenke på dette prosjektet for 10 år siden, sier Radoje Drmanac , vitenskapelig sjef ved Complete Genomics, som er basert i Mountain View, CA.





Billig sekvens: Å tre lange DNA-molekyler gjennom kanaler i nanostørrelse på en spesiallaget brikke kan gi en billigere måte å sekvensere DNA på. Dette bildet viser en wafer utviklet av BioNanomatrix. Hvert rektangel er en nanoanalysatorbrikke foret med 50 000 kanaler.

De siste tallene for sekvensering av et menneskelig genom er $60 000 på omtrent seks uker, som rapportert av Anvendte biosystemer forrige måned. (Det er ned fra 3 milliarder dollar for Human Genome Project, som ble sekvensert ved hjelp av tradisjonelle metoder og avsluttet i 2003, og rundt 1 million dollar for James Watsons genom, sekvensert ved hjelp av en nyere, høyhastighets-tilnærming og utgitt i fjor.) Men forskere er løper fortsatt for å utvikle metoder som er raske og billige nok til at alle kan få genomet sitt sekvensert, og dermed virkelig innlede en æra av personlig medisin.

De fleste eksisterende teknologier oppdager sekvensen til DNA en enkelt bokstav om gangen. Men Complete Genomics har som mål å fremskynde prosessen ved å oppdage hele ord, hver sammensatt av fem DNA-bokstaver. Drmanac sammenligner teknologien med Google-søk, som søker etter en database med tekst med nøkkelord. Ytterligere fremskynde prosessen med ny kjemi og fremskritt innen nanofabrikasjon, vil selskapene utvikle en enhet som samtidig kan lese sekvensen til flere genomer på en enkelt brikke.



For å oppnå den nye sekvenseringen, genererer forskere først alle mulige kombinasjoner av fem-bokstavs DNA-segmenter, gitt de fire bokstavene, eller basene, som utgjør alt DNA. Disse segmentene er merket med forskjellige typer fluorescerende markører og tilsatt i grupper til et enkelttrådet DNA-molekyl. Når et bestemt segment samsvarer med en sekvens på DNA-strengen som skal leses, binder det seg til den delen av molekylet. Et spesialisert kamera tar deretter et bilde - de forskjellige fluorescerende signalene indikerer sekvensen på bestemte punkter langs DNA-strengen. Prosessen gjentas med forskjellige DNA-kombinasjoner på fem bokstaver, inntil hele kromosomet er sekvensert. Tilnærmingen er gjennomførbar på grunn av den nylige tilgjengeligheten av billig DNA-syntese, noe som gjør det mye mer effektivt å generere biblioteker av disse DNA-segmentene.

Hvert DNA-molekyl skal tres inn i en nanofluidikk-enhet, laget av Philadelphia-baserte BioNanomatrix, foret med rader med små kanaler. Den smale bredden på kanalene – omtrent 100 nanometer – tvinger det normalt sammenfiltrede DNA-et til å slappe av, stille seg opp som et tog i en lang tunnel og gi forskerne et klart syn på molekylet. Siden vi kan strekke ut DNA, kan vi få en enorm mengde informasjon fra hver DNA-bit vi ser på, sier Mike Boyce-Jacino , administrerende direktør i BioNanomatrix. Den store forskjellen fra enhver annen tilnærming er at vi ser på fysisk plassering samtidig som vi ser på sekvensinformasjon. Sekvenseringsmetoder som for tiden er i bruk, sekvenserer små fragmenter av DNA og setter deretter sammen plasseringen av hvert fragment beregningsmessig, noe som er mer tidkrevende og krever repeterende sekvensering.

Selskapene har fortsatt en lang vei til $100-genomet. BioNanomatrix har allerede vist at lange biter av DNA – to millioner bokstaver i lengde – kan tres inn i kanalene til eksisterende brikker. Men nå må forskere utvikle sjetonger med mange flere kanaler, slik at flere genoms verdi av DNA kan sekvenseres samtidig.



Hovedhindringen for Complete Genomics vil være å generere fluorescerende merker som enkelt og nøyaktig kan oppdages. De fleste nåværende metoder kommer over dette problemet ved å lage mange kopier av det samme DNA-molekylet og sekvensere dem samtidig, og dermed øke signal-til-støy-rasjonen. Men den tilnærmingen begrenser lengden på DNA-stykket som kan sekvenseres, og det øker kostnadene ved å øke mengden kjemikalier som trengs for reaksjonen.

Prosjektet er en del av Avansert teknologiprogram , finansiert av National Institute of Standards and Technology for å stimulere til utvikling av nye høyrisikoteknologier. I år slipper Complete Genomics et kommersielt produkt basert på lignende kjemi, men selskapet har avslått å gi detaljer om statusen.

Teknologien som er nødvendig for å oppnå et $100-genom er fortsatt minst fem år unna, sier George kirke , en genetiker ved Harvard Medical School, i Boston, og medlem av Complete Genomics’ vitenskapelige rådgivende styre. Men [det] kommer fra et selskap som har en nesten like god teknologi som kommer ut i år.



Både Drmanac og Boyce-Jacino si at en av de største fordelene med teknologien deres vil være muligheten til å sekvensere svært lange DNA-tråder. De nyeste sekvenseringsteknologiene som er i bruk i dag, leser DNA i ganske korte sprut, fra omtrent 30 til 200 bokstaver, som deretter sys sammen av en datamaskin. Denne tilnærmingen fungerer bra for noen applikasjoner, for eksempel å sekvensere et kjent genom. Men et økende antall studier tyder på at de små strukturelle endringene i DNA, som slettinger eller inversjoner av korte sekvenser, spiller en betydelig rolle i menneskelig variasjon, sier Jeff Castle , programdirektør for teknologiutvikling ved National Human Genome Research Center, i Bethesda, MD. De er mye vanskeligere å plukke opp med korte lesninger.

Lengre lesninger vil også tillate forskere å se på samlinger av genetiske variasjoner som har blitt arvet sammen, kjent som haplotyper. Denne typen analyse kan avgjøre om en bestemt genetisk variasjon har blitt overført fra individets mor eller far. Nyere forskning tyder på at i noen tilfeller kan mors eller fars arv påvirke alvorlighetsgraden av sykdommen. Med nye verktøy for å bedre spore arvemønstre, kan forskere oppdage at dette fenomenet er mer vanlig enn tidligere antatt. Det er en grunn til at vi håper at flere av de nye metodene vil tillate lange lesninger, sier Schloss.

gjemme seg