211service.com
Het genoom van $ 100
Het kost momenteel ongeveer $ 60.000 om een menselijk genoom te sequensen, en een handvol onderzoeksgroepen hoopt binnen de komende drie jaar een genoom van $ 1.000 te bereiken. Maar twee bedrijven Volledige genomica en BioNanomatrix , werken samen om een nieuwe benadering te creëren die je genoom zou sequencen voor minder dan de prijs van een mooie spijkerbroek - en de technologie zou het volledige genoom in één werkdag kunnen lezen. Het zou absoluut onmogelijk zijn geweest om 10 jaar geleden over dit project na te denken, zegt Radoje Drmanac , Chief Scientific Officer bij Complete Genomics, gevestigd in Mountain View, CA.
Goedkope volgorde: Door lange DNA-moleculen door kanalen van nanogrootte op een speciaal gefabriceerde chip te rijgen, zou een goedkopere manier kunnen zijn om DNA te sequensen. Deze afbeelding toont een door BioNanomatrix ontwikkelde wafel. Elke rechthoek is een nanoanalyse-chip met 50.000 kanalen.
De meest recente cijfers voor het sequencen van een menselijk genoom zijn $ 60.000 in ongeveer zes weken, zoals gerapporteerd door Toegepaste biosystemen vorige maand. (Dat is minder dan $ 3 miljard voor het Human Genome Project, waarvan de sequentie werd bepaald met behulp van traditionele methoden en werd voltooid in 2003, en ongeveer $ 1 miljoen voor het genoom van James Watson, waarvan de sequentie werd bepaald met behulp van een nieuwere, high-throughput-aanpak en vorig jaar werd vrijgegeven.) Maar wetenschappers zijn nog steeds racen om methoden te ontwikkelen die snel en goedkoop genoeg zijn om iedereen in staat te stellen de sequentie van het genoom te bepalen, en zo het tijdperk van gepersonaliseerde geneeskunde echt in te luiden.
De meeste bestaande technologieën detecteren de sequentie van DNA letter voor letter. Maar Complete Genomics wil het proces versnellen door hele woorden te detecteren, elk bestaande uit vijf DNA-letters. Drmanac vergelijkt de technologie met Google-zoekopdrachten, die een database met tekst met trefwoorden doorzoeken. Door het proces verder te versnellen met nieuwe chemie en vooruitgang in nanofabricage, zullen de bedrijven een apparaat ontwikkelen dat tegelijkertijd de sequentie van meerdere genomen op een enkele chip kan lezen.
Om de nieuwe sequencing te bereiken, genereren wetenschappers eerst alle mogelijke combinaties van DNA-segmenten van vijf letters, gegeven de vier letters of basen waaruit al het DNA bestaat. Deze segmenten zijn gelabeld met verschillende soorten fluorescerende markers en in groepen toegevoegd aan een enkelstrengs DNA-molecuul. Wanneer een bepaald segment overeenkomt met een sequentie op de DNA-streng die moet worden gelezen, bindt het aan dat deel van het molecuul. Een gespecialiseerde camera maakt vervolgens een foto - de verschillende fluorescerende signalen geven de volgorde aan op specifieke punten langs de DNA-streng. Het proces wordt herhaald met verschillende DNA-combinaties van vijf letters, totdat het hele chromosoom is gesequenced. De aanpak is haalbaar vanwege de recente beschikbaarheid van goedkope DNA-synthese, waardoor het veel efficiënter is om bibliotheken van deze DNA-segmenten te genereren.
Elk DNA-molecuul zal in een nanofluidics-apparaat worden geregen, gemaakt door BioNanomatrix uit Philadelphia, bekleed met rijen kleine kanaaltjes. De smalle breedte van de kanalen - ongeveer 100 nanometer - dwingt het normaal verwarde DNA om te ontspannen, als een trein in een lange tunnel in de rij te staan en onderzoekers een duidelijk beeld van het molecuul te geven. Omdat we DNA kunnen uitrekken, kunnen we een enorme hoeveelheid informatie halen uit elk stukje DNA waar we naar kijken, zegt Mike Boyce-Jacino , CEO van BioNanomatrix. Het grote verschil met elke andere benadering is dat we naar de fysieke locatie kijken terwijl we tegelijkertijd naar sequentie-informatie kijken. Sequentiemethoden die momenteel in gebruik zijn, sequensen kleine fragmenten van DNA en voegen vervolgens de locatie van elk fragment rekenkundig samen, wat meer tijd in beslag neemt en herhaalde sequencing vereist.
De bedrijven hebben nog een lange weg te gaan naar het genoom van $ 100. BioNanomatrix heeft al aangetoond dat lange stukken DNA – twee miljoen letters lang – in de kanalen van bestaande chips kunnen worden gestoken. Maar nu moeten onderzoekers chips ontwikkelen met veel meer kanalen, zodat de DNA-sequentie van meerdere genomen tegelijk kan worden bepaald.
De belangrijkste hindernis voor Complete Genomics zal zijn om fluorescerende labels te genereren die gemakkelijk en nauwkeurig kunnen worden gedetecteerd. De meeste huidige methoden lossen dit probleem op door veel kopieën van hetzelfde DNA-molecuul te maken en ze tegelijkertijd te sequencen, waardoor de signaal-ruisverhouding wordt verhoogd. Maar die benadering beperkt de lengte van het stuk DNA dat kan worden gesequenced, en het verhoogt de kosten door de hoeveelheid chemicaliën die nodig zijn voor de reactie te vergroten.
Het project maakt deel uit van de Programma voor geavanceerde technologie , gefinancierd door het National Institute of Standards and Technology om de ontwikkeling van nieuwe, risicovolle technologieën te stimuleren. Dit jaar brengt Complete Genomics een commercieel product uit op basis van vergelijkbare chemie, maar het bedrijf wil geen details geven over de status ervan.
De technologie die nodig is om een genoom van $ 100 te bereiken, is nog minstens vijf jaar verwijderd, zegt George kerk , een geneticus aan de Harvard Medical School, in Boston, en lid van de wetenschappelijke adviesraad van Complete Genomics. Maar [het] komt van een bedrijf dat dit jaar een bijna net zo goede technologie heeft.
Beide Drmanac en Boyce-Jacino zeggen dat een van de grootste voordelen van hun technologie de mogelijkheid zal zijn om zeer lange strengen DNA te sequensen. De nieuwste sequencing-technologieën die tegenwoordig worden gebruikt, lezen DNA in vrij korte spurts, van ongeveer 30 tot 200 letters, die vervolgens door een computer aan elkaar worden genaaid. Deze aanpak werkt goed voor sommige toepassingen, zoals het opnieuw sequensen van een bekend genoom. Maar een groeiend aantal onderzoeken suggereert dat de kleine structurele veranderingen in DNA, zoals deleties of inversies van korte sequenties, een significante rol spelen in de menselijke variabiliteit, zegt Jeff Castle , programmadirecteur voor technologieontwikkeling bij het National Human Genome Research Center, in Bethesda, MD. Die zijn veel moeilijker op te pikken met korte leest.
Door langer te lezen, kunnen wetenschappers ook kijken naar verzamelingen van genetische variaties die samen zijn geërfd, bekend als haplotypes. Dit soort analyse kan bepalen of een bepaalde genetische variatie is doorgegeven van de moeder of vader van het individu. Recent onderzoek suggereert dat in sommige gevallen maternale of vaderlijke overerving de ernst van de ziekte kan beïnvloeden. Met nieuwe tools om overervingspatronen beter te volgen, kunnen wetenschappers ontdekken dat dit fenomeen vaker voorkomt dan eerder werd gedacht. Dat is een reden waarom we hopen dat verschillende van de opkomende methoden lang kunnen lezen, zegt Schloss.