Новые микрочипы позволят снизить стоимость расшифровки генома
31.07.2011
2678
0
26780
Новый метод секвенирования ДНК, разработанный компанией Ion Torrent, предлагает дешевое секвенирование генома за рекордно короткое время.
Специалисты компании Ion Torrent расшифровали геном основателя компании Intel Гордона Мура (Gordon Moore). Подобно компьютерным чипам компании Intel, секвенатор Personal Genome Machine (PGM) компании Ion Torrent основан на полупроводниковой платформе, позволяющей проводить секвенирование ДНК с большей скоростью и с меньшими трудозатратами, чем с помощью других современных систем, – тенденция, предсказанная Муром еще 50 лет назад. Когда компания Ion Torrent, входящая в состав Life Technologies, закончила в прошлом году разработку прибора [1], некоторые ученые сомневались, выполнит ли компания свое обещание поставить секвенатор в какую-либо адекватно финансируемую лабораторию. Их сомнения, вероятно, ослабли после публикации последних полученных с помощью секвенатора результатов, опубликованных в журнале Nature.
Компания Ion Torrent продемонстрировала, что прибор стоимостью всего 49,5 тысяч долларов США способен «прочитать» геном бактерии менее чем за 2 часа. «Это качественный скачок в плане времени, отводимом на эксперимент», - говорит Стефан Шустер (Stephan Schuster), молекулярный биолог из Государственного Университета Пенсильвании (Pennsylvania State University, США), тестировавший методику на протяжении года. Ученый опубликовал результаты своих исследований по изучению быстро прогрессирующего рака сумчатого дьявола (Sarcophilus satanicus) с использованием новой методики секвенирования [2]. PGM также стал первой платформой, с помощью которой был секвенирован геном энтерогеморрагической кишечной палочки (одного из штаммов Escherichia coli), ставшей источником опасной инфекции, распространившейся в мае 2011 г. в Германии.
Именно новый способ детекции нуклеотидных оснований ДНК делает технологию такой быстрой и недорогой. Программа «Геном человека» (Human Genome Project), представившая свои результаты по секвенированию генома человека 10 лет назад, основывалась на трудоемком методе секвенирования по Сэнджеру. Недавно была разработана более быстрая методика секвенирования, основанная на отслеживании синтеза комплементарной нити ДНК в режиме реального времени. В большинстве методов используется флуоресцентное мечение нуклеотидов, но такая технология весьма дорогостояща – каждое секвенирование обходится в тысячи долларов и по времени может занять более недели.
Секвенатор компании Ion Torrent работает с использованием дешевых коммерчески доступных нуклеотидов и способен распознавать протоны, высвобождающиеся при присоединении нуклеотидов к синтезируемой нити ДНК. «Мы создали прибор, который буквально видит химические процессы», - говорит Джонатан Ротберг (Jonathan Rothberg), исполнительный директор компании Ion Torrent.
Микроскопические бусины, содержащие фрагменты ДНК, сначала помещают в 1,2 миллиона лунок диаметром 3,5 мкм, расположенных на чипе стоимостью 99 долларов США, после чего чип последовательно погружают в 4 раствора с нуклеотидами. Лунки промываются после каждого раствора. Если нуклеотид комплементарен неспаренному основанию на бусине, он присоединяется к синтезируемой нити ДНК и высвобождает ион водорода, из-за чего в лунке изменяется pH. Возникает электрический сигнал, означающий, что основание в конкретной лунке является следующим нуклеотидом в последовательности ДНК. Каждый шаг занимает менее 5 секунд, позволяя каждому чипу «прочитывать» около 25 миллионов азотистых оснований за один двухчасовой пробег и всего за несколько сотен долларов.
«Рентабельность технологии в конечном итоге зависит не только от цены, но и от точности», - говорит Стефан Чэнок (Stephen Chanock), руководитель Лаборатории Трансляционной Геномики в Государственном Онкологическом Институте (National Cancer Institute, США). В этом плане PGM не может соревноваться с более массивными и дорогими секвенаторами стоимостью в сотни тысяч долларов. Такие приборы могут секвенировать сотни миллиардов пар азотистых оснований за один пробег, и в данный момент они являются более подходящими для секвенирования целого генома человека. Чиповое секвенирование больше подходит для получения быстрых результатов в небольших проектах, таких как секвенирование бактериальных геномов или характеристика заболеваний с помощью секвенирования конкретных участков генома нескольких пациентов. Однако Ротберг подчеркивает, что как только транзисторы будут более плотно упакованы на одной микросхеме, технология станет мощнее.
Для секвенирования генома Мура потребовалась 1000 одновременно работающих ионных чипов. В настоящее время компания уже тестирует чип, содержащий 11 миллионов лунок, который позволит значительно сократить расходы. «Мы сможем секвенировать геном менее чем за 1000 долларов», - уверяет Ротберг.
Каждый чип содержит 1,2 миллиона лунок для тестирования ДНК (фото: ION TORRENT)
По материалам:
NatureNews
Литература:
1. Katsnelson, A. Nature http://dx.doi.org/10.1038/news.2010.674 (2010)
2. Miller, W. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1102838108 (2011)
3. Turner, M. Nature http://dx.doi.org/10.1038/news.2011.345 (2011)
Специалисты компании Ion Torrent расшифровали геном основателя компании Intel Гордона Мура (Gordon Moore). Подобно компьютерным чипам компании Intel, секвенатор Personal Genome Machine (PGM) компании Ion Torrent основан на полупроводниковой платформе, позволяющей проводить секвенирование ДНК с большей скоростью и с меньшими трудозатратами, чем с помощью других современных систем, – тенденция, предсказанная Муром еще 50 лет назад. Когда компания Ion Torrent, входящая в состав Life Technologies, закончила в прошлом году разработку прибора [1], некоторые ученые сомневались, выполнит ли компания свое обещание поставить секвенатор в какую-либо адекватно финансируемую лабораторию. Их сомнения, вероятно, ослабли после публикации последних полученных с помощью секвенатора результатов, опубликованных в журнале Nature.
Компания Ion Torrent продемонстрировала, что прибор стоимостью всего 49,5 тысяч долларов США способен «прочитать» геном бактерии менее чем за 2 часа. «Это качественный скачок в плане времени, отводимом на эксперимент», - говорит Стефан Шустер (Stephan Schuster), молекулярный биолог из Государственного Университета Пенсильвании (Pennsylvania State University, США), тестировавший методику на протяжении года. Ученый опубликовал результаты своих исследований по изучению быстро прогрессирующего рака сумчатого дьявола (Sarcophilus satanicus) с использованием новой методики секвенирования [2]. PGM также стал первой платформой, с помощью которой был секвенирован геном энтерогеморрагической кишечной палочки (одного из штаммов Escherichia coli), ставшей источником опасной инфекции, распространившейся в мае 2011 г. в Германии.
Именно новый способ детекции нуклеотидных оснований ДНК делает технологию такой быстрой и недорогой. Программа «Геном человека» (Human Genome Project), представившая свои результаты по секвенированию генома человека 10 лет назад, основывалась на трудоемком методе секвенирования по Сэнджеру. Недавно была разработана более быстрая методика секвенирования, основанная на отслеживании синтеза комплементарной нити ДНК в режиме реального времени. В большинстве методов используется флуоресцентное мечение нуклеотидов, но такая технология весьма дорогостояща – каждое секвенирование обходится в тысячи долларов и по времени может занять более недели.
Секвенатор компании Ion Torrent работает с использованием дешевых коммерчески доступных нуклеотидов и способен распознавать протоны, высвобождающиеся при присоединении нуклеотидов к синтезируемой нити ДНК. «Мы создали прибор, который буквально видит химические процессы», - говорит Джонатан Ротберг (Jonathan Rothberg), исполнительный директор компании Ion Torrent.
Микроскопические бусины, содержащие фрагменты ДНК, сначала помещают в 1,2 миллиона лунок диаметром 3,5 мкм, расположенных на чипе стоимостью 99 долларов США, после чего чип последовательно погружают в 4 раствора с нуклеотидами. Лунки промываются после каждого раствора. Если нуклеотид комплементарен неспаренному основанию на бусине, он присоединяется к синтезируемой нити ДНК и высвобождает ион водорода, из-за чего в лунке изменяется pH. Возникает электрический сигнал, означающий, что основание в конкретной лунке является следующим нуклеотидом в последовательности ДНК. Каждый шаг занимает менее 5 секунд, позволяя каждому чипу «прочитывать» около 25 миллионов азотистых оснований за один двухчасовой пробег и всего за несколько сотен долларов.
«Рентабельность технологии в конечном итоге зависит не только от цены, но и от точности», - говорит Стефан Чэнок (Stephen Chanock), руководитель Лаборатории Трансляционной Геномики в Государственном Онкологическом Институте (National Cancer Institute, США). В этом плане PGM не может соревноваться с более массивными и дорогими секвенаторами стоимостью в сотни тысяч долларов. Такие приборы могут секвенировать сотни миллиардов пар азотистых оснований за один пробег, и в данный момент они являются более подходящими для секвенирования целого генома человека. Чиповое секвенирование больше подходит для получения быстрых результатов в небольших проектах, таких как секвенирование бактериальных геномов или характеристика заболеваний с помощью секвенирования конкретных участков генома нескольких пациентов. Однако Ротберг подчеркивает, что как только транзисторы будут более плотно упакованы на одной микросхеме, технология станет мощнее.
Для секвенирования генома Мура потребовалась 1000 одновременно работающих ионных чипов. В настоящее время компания уже тестирует чип, содержащий 11 миллионов лунок, который позволит значительно сократить расходы. «Мы сможем секвенировать геном менее чем за 1000 долларов», - уверяет Ротберг.
Каждый чип содержит 1,2 миллиона лунок для тестирования ДНК (фото: ION TORRENT)
По материалам:
NatureNews
Литература:
1. Katsnelson, A. Nature http://dx.doi.org/10.1038/news.2010.674 (2010)
2. Miller, W. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1102838108 (2011)
3. Turner, M. Nature http://dx.doi.org/10.1038/news.2011.345 (2011)
Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Последние комментарии
