211service.com
$100 genomet
Det koster i øjeblikket omkring $60.000 at sekventere et menneskeligt genom, og en håndfuld forskergrupper håber at opnå et $1.000-genom inden for de næste tre år. Men to virksomheder, Komplet genomik og BioNanomatrix , samarbejder om at skabe en ny tilgang, der ville sekventere dit genom til mindre end prisen for et par pæne jeans – og teknologien kunne læse hele genomet på en enkelt arbejdsdag. Det ville have været helt umuligt at tænke på dette projekt for 10 år siden, siger Radoje Drmanac , chief scientific officer hos Complete Genomics, som er baseret i Mountain View, CA.
Billig rækkefølge: At tråde lange DNA-molekyler gennem kanaler i nanostørrelse på en specielt fremstillet chip kunne give en billigere måde at sekventere DNA. Dette billede viser en wafer udviklet af BioNanomatrix. Hvert rektangel er en nanoanalysator-chip foret med 50.000 kanaler.
De seneste tal for sekventering af et menneskeligt genom er $60.000 på omkring seks uger, som rapporteret af Anvendte biosystemer sidste måned. (Det er et fald fra $3 milliarder til Human Genome Project, som blev sekventeret ved hjælp af traditionelle metoder og afsluttet i 2003, og omkring $1 million for James Watsons genom, sekventeret ved hjælp af en nyere, high-throughput tilgang og udgivet sidste år.) Men videnskabsmænd er racer stadig for at udvikle metoder, der er hurtige og billige nok til at give alle mulighed for at få deres genomer sekventeret, og dermed virkelig indlede en æra med personlig medicin.
De fleste eksisterende teknologier registrerer DNA-sekvensen et enkelt bogstav ad gangen. Men Complete Genomics sigter mod at fremskynde processen ved at detektere hele ord, der hver består af fem DNA-bogstaver. Drmanac sammenligner teknologien med Google-søgninger, som forespørger i en database med tekst med nøgleord. For yderligere at fremskynde processen med ny kemi og fremskridt inden for nanofabrikation vil virksomhederne udvikle en enhed, der samtidigt kan læse sekvensen af flere genomer på en enkelt chip.
For at opnå den nye sekventering genererer videnskabsmænd først alle mulige kombinationer af fem-bogstavs DNA-segmenter, givet de fire bogstaver eller baser, der udgør alt DNA. Disse segmenter er mærket med forskellige typer fluorescerende markører og tilføjet i grupper til et enkeltstrenget DNA-molekyle. Når et bestemt segment matcher en sekvens på den DNA-streng, der skal læses, binder det sig til den del af molekylet. Et specialiseret kamera tager derefter et billede - de forskellige fluorescerende signaler indikerer sekvensen på specifikke punkter langs DNA-strengen. Processen gentages med forskellige fem-bogstavs DNA-kombinationer, indtil hele kromosomet er sekventeret. Fremgangsmåden er mulig på grund af den nylige tilgængelighed af billig DNA-syntese, hvilket gør det meget mere effektivt at generere biblioteker af disse DNA-segmenter.
Hvert DNA-molekyle vil blive trådt ind i en nanofluidics-enhed, lavet af Philadelphia-baserede BioNanomatrix, foret med rækker af bittesmå kanaler. Den smalle bredde af kanalerne - omkring 100 nanometer - tvinger det normalt sammenfiltrede DNA til at slappe af, stille sig op som et tog i en lang tunnel og give forskerne et klart overblik over molekylet. Da vi kan strække DNA ud, kan vi få en enorm mængde information fra hvert stykke DNA, vi ser på, siger Mike Boyce-Jacino , administrerende direktør for BioNanomatrix. Den store forskel fra enhver anden tilgang er, at vi ser på fysisk placering, samtidig med at vi ser på sekvensinformation. Sekventeringsmetoder, der i øjeblikket anvendes, sekventerer små fragmenter af DNA og sammensætter derefter placeringen af hvert fragment beregningsmæssigt, hvilket er mere tidskrævende og kræver gentagen sekventering.
Virksomhederne har stadig en lang vej til $100-genomet. BioNanomatrix har allerede vist, at lange stykker DNA – to millioner bogstaver i længden – kan trænges ind i kanalerne på eksisterende chips. Men nu skal forskere udvikle chips med mange flere kanaler, så flere genomers DNA kan sekventeres samtidigt.
Den største hindring for Complete Genomics vil være at generere fluorescerende mærker, der let og præcist kan detekteres. De fleste nuværende metoder kommer over dette problem ved at lave mange kopier af det samme DNA-molekyle og sekventere dem samtidigt, hvilket øger signal-til-støj-rationen. Men den tilgang begrænser længden af det stykke DNA, der kan sekventeres, og det øger omkostningerne ved at øge mængden af kemikalier, der er nødvendige for reaktionen.
Projektet er en del af Avanceret teknologi program , finansieret af National Institute of Standards and Technology for at fremme udviklingen af nye højrisikoteknologier. I år udgiver Complete Genomics et kommercielt produkt baseret på lignende kemi, men virksomheden har afvist at give detaljer om dets status.
Den teknologi, der er nødvendig for at opnå et $100-genom, er stadig mindst fem år væk, siger George Kirke , en genetiker ved Harvard Medical School i Boston og medlem af Complete Genomics' videnskabelige rådgivende udvalg. Men [det] kommer fra et firma, der har en næsten lige så god teknologi, der kommer ud i år.
Begge Drmanac og Boyce-Jacino sige, at en af de største fordele ved deres teknologi vil være evnen til at sekventere meget lange DNA-strenge. De nyeste sekventeringsteknologier, der er i brug i dag, læser DNA i ret korte skud, fra omkring 30 til 200 bogstaver, som derefter sys sammen af en computer. Denne tilgang fungerer godt til nogle applikationer, såsom gensekventering af et kendt genom. Men et stigende antal undersøgelser tyder på, at de små strukturelle ændringer i DNA, såsom deletioner eller inversioner af korte sekvenser, spiller en væsentlig rolle i menneskelig variabilitet, siger Jeff Castle , programdirektør for teknologiudvikling ved National Human Genome Research Center, i Bethesda, MD. De er meget sværere at opfange med korte læsninger.
Længere læsninger vil også give videnskabsmænd mulighed for at se på samlinger af genetiske variationer, der er blevet nedarvet sammen, kendt som haplotyper. Denne form for analyse kan afgøre, om en bestemt genetisk variation er blevet videregivet fra individets mor eller far. Nyere forskning tyder på, at i nogle tilfælde kan mors eller faderlige arv påvirke sværhedsgraden af sygdommen. Med nye værktøjer til bedre at spore arvemønstre kan forskere opdage, at dette fænomen er mere almindeligt end tidligere antaget. Det er en af grundene til, at vi håber, at flere af de nye metoder vil tillade lange læsninger, siger Schloss.