211service.com
Genomet för 100 dollar
Det kostar för närvarande ungefär 60 000 dollar att sekvensera ett mänskligt genom, och en handfull forskargrupper hoppas kunna uppnå ett genom på 1 000 dollar inom de kommande tre åren. Men två företag, Komplett genomik och BioNanomatrix , samarbetar för att skapa ett nytt tillvägagångssätt som skulle sekvensera ditt arvsmassa för mindre än priset för ett par snygga jeans – och tekniken kunde läsa hela arvsmassan på en enda arbetsdag. Det hade varit helt omöjligt att tänka på det här projektet för 10 år sedan, säger Radoje Drmanac , chief scientific officer vid Complete Genomics, som är baserad i Mountain View, CA.
Billig sekvens: Att trä långa DNA-molekyler genom kanaler i nanostorlek på ett specialtillverkat chip kan ge ett billigare sätt att sekvensera DNA. Den här bilden visar en wafer utvecklad av BioNanomatrix. Varje rektangel är ett nanoanalyschip fodrat med 50 000 kanaler.
De senaste siffrorna för sekvensering av ett mänskligt genom är $60 000 på cirka sex veckor, enligt rapporter från Tillämpade biosystem förra månaden. (Det är en minskning från 3 miljarder USD för Human Genome Project, som sekvenserades med traditionella metoder och avslutades 2003, och cirka 1 miljon USD för James Watsons genom, sekvenserat med en nyare, högeffektiv metod och släpptes förra året.) Men forskare är tävlar fortfarande om att utveckla metoder som är tillräckligt snabba och billiga för att alla ska kunna få sina genom sekvenserade, vilket verkligen inleder en era av personlig medicin.
De flesta befintliga teknologier upptäcker DNA-sekvensen en bokstav i taget. Men Complete Genomics syftar till att påskynda processen genom att upptäcka hela ord, som var och en består av fem DNA-bokstäver. Drmanac liknar tekniken med Google-sökningar, som söker efter en databas med text med nyckelord. Ytterligare påskynda processen med ny kemi och framsteg inom nanotillverkning, kommer företagen att utveckla en enhet som samtidigt kan läsa sekvensen av flera genom på ett enda chip.
För att åstadkomma den nya sekvenseringen genererar forskare först alla möjliga kombinationer av DNA-segment med fem bokstäver, givet de fyra bokstäverna, eller baserna, som utgör allt DNA. Dessa segment är märkta med olika typer av fluorescerande markörer och adderas i grupper till en enkelsträngad DNA-molekyl. När ett visst segment matchar en sekvens på DNA-strängen som ska läsas, binder det till den delen av molekylen. En specialiserad kamera tar sedan en bild - de olika fluorescerande signalerna indikerar sekvensen vid specifika punkter längs DNA-strängen. Processen upprepas med olika fembokstavs-DNA-kombinationer, tills hela kromosomen är sekvenserad. Tillvägagångssättet är genomförbart på grund av den senaste tidens tillgänglighet av billig DNA-syntes, vilket gör det mycket mer effektivt att generera bibliotek av dessa DNA-segment.
Varje DNA-molekyl kommer att träs in i en nanofluidikenhet, gjord av Philadelphia-baserade BioNanomatrix, fodrad med rader av små kanaler. Kanalernas smala bredd – cirka 100 nanometer – tvingar det normalt trassliga DNA:t att varva ner, ställa sig upp som ett tåg i en lång tunnel och ge forskarna en klar bild av molekylen. Eftersom vi kan sträcka ut DNA kan vi få en enorm mängd information från varje DNA-bit vi tittar på, säger Mike Boyce-Jacino , verkställande direktör för BioNanomatrix. Den stora skillnaden från alla andra metoder är att vi tittar på fysisk plats samtidigt som vi tittar på sekvensinformation. Sekveneringsmetoder som för närvarande används sekvenserar små fragment av DNA och sätter sedan ihop platsen för varje fragment beräkningsmässigt, vilket är mer tidskrävande och kräver upprepad sekvensering.
Företagen har fortfarande en lång väg till genomet på 100 dollar. BioNanomatrix har redan visat att långa bitar av DNA – två miljoner bokstäver långa – kan träs in i kanalerna på befintliga chips. Men nu måste forskare utveckla chips med många fler kanaler, så att flera genoms värde av DNA kan sekvenseras samtidigt.
Det största hindret för Complete Genomics kommer att vara att generera fluorescerande etiketter som enkelt och exakt kan detekteras. De flesta nuvarande metoder kommer över detta problem genom att göra många kopior av samma DNA-molekyl och sekvensera dem samtidigt, vilket ökar signal-till-brus-rationen. Men det tillvägagångssättet begränsar längden på den bit av DNA som kan sekvenseras, och det ökar kostnaderna genom att öka mängden kemikalier som behövs för reaktionen.
Projektet är en del av Avancerad teknologiprogram , finansierat av National Institute of Standards and Technology för att stimulera utvecklingen av nya högriskteknologier. I år släpper Complete Genomics en kommersiell produkt baserad på liknande kemi, men företaget har avböjt att ge detaljer om dess status.
Tekniken som krävs för att uppnå ett $100-genom är fortfarande minst fem år bort, säger George kyrka , en genetiker vid Harvard Medical School, i Boston, och medlem av Complete Genomics vetenskapliga rådgivande styrelse. Men [det kommer] från ett företag som har en nästan lika bra teknik som kommer ut i år.
Både Drmanac och Boyce-Jacino säga att en av de största fördelarna med deras teknologi kommer att vara förmågan att sekvensera mycket långa DNA-strängar. De senaste sekvenseringsteknikerna som används idag läser DNA i ganska korta sprutor, från cirka 30 till 200 bokstäver, som sedan sys ihop av en dator. Det här tillvägagångssättet fungerar bra för vissa tillämpningar, som sekvensering av ett känt genom. Men ett växande antal studier tyder på att de små strukturella förändringarna i DNA, såsom deletioner eller inversioner av korta sekvenser, spelar en betydande roll i mänsklig variabilitet, säger Jeff Castle , programdirektör för teknologiutveckling vid National Human Genome Research Center, i Bethesda, MD. De är mycket svårare att ta upp med korta läsningar.
Längre läsningar kommer också att tillåta forskare att titta på samlingar av genetiska variationer som har ärvts tillsammans, kända som haplotyper. Denna typ av analys kan avgöra om en viss genetisk variation har överförts från individens mamma eller pappa. Ny forskning tyder på att i vissa fall kan moders eller faderns arv påverka sjukdomens svårighetsgrad. Med nya verktyg för att bättre spåra arvsmönster kan forskare upptäcka att detta fenomen är vanligare än tidigare trott. Det är en anledning till att vi hoppas att flera av de framväxande metoderna kommer att tillåta långa läsningar, säger Schloss.