רצף הגנום האנושי הראשון ארך 13 שנים ועלה 3 מיליארד דולר - כעת, פחות מעשור לאחר מכן, חברה חדשה מבטיחה רצף גנום מלא תוך 15 דקות לשיר. אם הגידול האקספוננציאלי הזה ביעילות וירידת המחיר נשמע כמו משהו מחוץ לתעשיית המחשוב, זה בגלל שהוא כן. מעבדים מרובי ליבות ואשכולות הניתנים להתאמה אישית מגיעים לרצף גנים, ומאיימים לשבש את אחת התעשיות החשובות ביותר ברפואה המודרנית.
אוקספורד ננופור טכנולוגיות בע"מ אומר שניתן להשתמש במיקרו-רצפים החדשים שלה - שאחד מהם מופעל באמצעות USB ויימכר במחיר של 900 דולר במהירות ובקלות בשטח, מזהה כל דבר, החל מווירוסים בשדות תעופה ועד מינים חדשים בעומק ג'וּנגֶל. ככה זה עובד.
כדי לקבוע כיצד מסודרים בסיסי נוקלאוטידים, רוב מכונות הרצף מפרקות גדיל DNA ומשכפלים אותו, ומגבירות אותו במספר סדרי גודל. מחשבים מבססים את סידורי הנוקלאוטידים במגוון שיטות, מצבעים ועד כימיקלים אחרים. קח את 1,000 הדולר הקרוב לכל גנום שבב יון פרוטון, לדוגמה. הוא מחבר שברי DNA לחרוזים מיקרוסקופיים ומסובב אותם בארות מיקרו על שבב מוליכים למחצה. הבארות מוצפות בכל אחד מהנוקלאוטידים של ה-DNA, והמכונה מחפשת התאמות. כאשר יש התאמה, יון מימן חיובי משתחרר, ואלגוריתמים מפרשים את שינוי המתח שנוצר כדי לקבוע אילו בסיסים מתאימים, ובכך בונים תרשים של סידורי בסיס.
במקום זאת, הטכנולוגיה של אוקספורד ננופור שומרת על גדיל ה-DNA המטוהר על כנו, ומעבירה אותו דרך "נקבובית" ביולוגית ננומטרית העשויה מחלבון. Nanopores נכנסו לראשונה לסצנה בשנות ה-90, אך עדיין לא הגיעו לשוק מסיבות שונות. אוקספורד ננופור אומר שההתקדמות האחרונה בכימיה של פולימרים אפשרה את העיצוב שלה.
לב העיצוב של החברה הוא ננופור מעוצב בהתאמה אישית, המוכנס לתוך קרום פולימר המונח על גבי מיקרו-באר. לממברנה יש התנגדות חשמלית גבוהה, ומופעל מתח כך שזרם עובר דרך הננופורה. לכל microwell יש אלקטרודה משלה. משתמש היה שופך מעט DNA מטוהר לתוך המחסנית, שם הוא יזרום על פני הממברנה ודרך הננו-נקבוביות. כאשר גדיל ה-DNA עובר דרך נקבובית, כל אחד מהנוקלאוטידים שלו קוטע את הזרם בצורה ניתנת למדידה. שינוי זה במוליכות יכול לשמש לזיהוי הנוקלאוטיד.
מערכים שלמים של ננו-נקבים ובורות המיקרו שלהם מוטמעים על שבבים, תוך שימוש בטכניקות ייצור של מוליכים למחצה טיפוסיים, ואלה מוכנסים למחסנית חד פעמית. כל מחסנית בנויה כך שהננו-נקבים מכוונים לחוש מולקולות ספציפיות - כמו DNA, או אולי חלבונים, תרופות או תרכובות אחרות. משתמש מכניס את המחסנית לצומת הרצף הנבחר: או הצומת GridION, שנראה כמו מכשיר וידיאו מהדור הישן, או מערכת MinION, שהיא מקל USB מעט שמן.
מחסנית GridION
כל ננופור מנתח את המדגם שלו ללא תלות באחרים. גישה מקבילה מאסיבית זו מאפשרת ניתוח מהיר יותר, לדברי החברה - הננו-נקבים יכולים לקרוא נוקלאוטידים בזמן אמת עם שיעורי שגיאה נמוכים. יתרה מכך, הצמתים של GridION יכולים לשמש כאשכול הניתן להתאמה אישית, באותו אופן שבו מחשבים יכולים - אם יש לך שניים מכונות, אתה יכול להשתמש בהן כשתי מכונות, או כמכונה אחת שפועלת פי שניים מהר יותר, כדוברת החברה מתאר את זה. משתמשים יוכלו לקבוע את התצורות שהם רוצים. התקני MinION יכולים לעבוד גם באשכולות, באמצעות תוכנת החברה ורכזת USB.
"אוקספורד ננופור היא חברת אלקטרוניקה באותה מידה כמו חברת ביוטכנולוגיה", אמר מנכ"ל החברה, גורדון סנגרה.
החברה ניסתה את זה עם ה-Pi X phage, וירוס חיידקי, רצף את כל הגנום של 54,000 בסיס, או 5.4 קילובאז, של הנגיף במכה אחת. מכונות ה-GridION הראשונות שיצאו למכירה השנה יקראו 100 קילו-בסיסים, שזה הרבה יותר ארוך מקטעי ה-DNA המשמשים את רוב הסיקוונסרים הנוכחיים. זה ייתן הצצה מדויקת יותר למבנה ה-DNA, אומרת החברה.
בתחילה, מערכת GridION תכלול צומת המכיל 2,000 ננו-נקבים, שיכול לקרוא DNA במאות קילו-בסיסים לשנייה. מחסנית ה-MinION יכולה להפעיל 150 מגה-בסיסים לשעה במשך שש שעות חייה. עד שנת 2013, החברה מתכננת להתחיל למכור 8,000 צמתים ננופוריים, שכל אחד מהם יקרא מאות קילו-בסיסים. צביר של 20 מהצמתים הללו יוכל באופן תיאורטי לרצף את 3.2 מיליארד זוגות הבסיסים בגנום אנושי בתוך 15 דקות, אמר סנגרה.
