Prvá sekvencia ľudského genómu trvala 13 rokov a stála 3 miliardy dolárov – teraz, o menej ako desať rokov neskôr, nová spoločnosť sľubuje sekvenujte celý genóm za 15 minút za pesničku. Ak tento exponenciálny nárast efektívnosti a pokles ceny znie ako niečo z výpočtového priemyslu, je to preto, že je. Viacjadrové procesory a prispôsobiteľné klastre prichádzajú na sekvenovanie génov, čím hrozí narušenie jedného z najdôležitejších odvetví modernej medicíny.
Oxford Nanopore Technologies Ltd. hovorí, že by sa dali použiť jeho nové mikrosekvenátory – jeden z nich je napájaný cez USB a bude sa predávať za 900 dolárov rýchlo a jednoducho v teréne, identifikujú čokoľvek od vírusov na letiskách až po nové druhy v hĺbke džungľa. Tu je návod, ako to funguje.
Aby sa určilo, ako sú usporiadané nukleotidové bázy, väčšina sekvenčných strojov rozbije reťazec DNA a replikuje ho, čím ho zosilní o niekoľko rádov. Počítače vyhodnotia usporiadanie nukleotidov pomocou rôznych metód, od farbív po iné chemikálie. Vezmite si nadchádzajúcich 1 000 dolárov za genóm
Iónový protónový čip, napríklad. Pripája fragmenty DNA na mikroskopické guľôčky a otáča ich v mikrojamkách na polovodičovom čipe. Jamky sú zaplavené každým z nukleotidov DNA a stroj hľadá zhody. Keď dôjde k zhode, uvoľní sa kladný vodíkový ión a algoritmy interpretujú výslednú zmenu napätia, aby určili, ktoré bázy sa zhodujú, čím sa vytvorí tabuľka usporiadania báz.Namiesto toho technológia Oxford Nanopore udržuje vyčistený reťazec DNA neporušený a prechádza cez nanorozmerný biologický „pór“ vyrobený z proteínu. Nanopóry prvýkrát vstúpili na scénu v 90. rokoch minulého storočia, ale z rôznych dôvodov sa ešte nedostali na trh. Oxford Nanopore hovorí, že nedávne pokroky v chémii polymérov umožnili jeho dizajn.
Srdcom dizajnu spoločnosti je nanopór navrhnutý na mieru, vložený do polymérovej membrány, ktorá spočíva na mikrojamke. Membrána má vysoký elektrický odpor a napätie sa aplikuje tak, aby prúd prechádzal cez nanopóry. Každá mikrojamka má vlastnú elektródu. Používateľ by nalial trochu purifikovanej DNA do kazety, kde by tiekla cez membránu a cez nanopóry. Keď vlákno DNA prechádza cez pór, každý z jeho nukleotidov preruší prúd merateľným spôsobom. Táto zmena vo vodivosti môže byť použitá na identifikáciu nukleotidu.
Celé polia nanopórov a ich mikrojamky sú vložené do čipov pomocou typických techník výroby polovodičov a tieto sú vložené do jednorazovej kazety. Každá kazeta je postavená tak, že nanopóry sú vyladené tak, aby vnímali špecifické molekuly – ako napríklad DNA alebo možno proteíny, lieky alebo iné zlúčeniny. Používateľ vloží kazetu do vybraného sekvenčného uzla: buď uzla GridION, ktorý vyzerá ako videorekordér zo starej školy, alebo systém MinION, čo je trochu tučný USB kľúč.
Náplň GridION
Každý nanopór analyzuje svoju vzorku nezávisle od ostatných. Tento masívne paralelný prístup umožňuje podľa spoločnosti rýchlejšiu analýzu – nanopóry dokážu čítať nukleotidy v reálnom čase s nízkou chybovosťou. A čo viac, uzly GridION možno použiť ako prispôsobiteľný klaster, rovnako ako počítače – ak máte dva stroje, môžete ich použiť buď ako dva stroje, alebo ako jeden stroj bežiaci dvakrát rýchlejšie, ako hovorkyňa spoločnosti opisuje to. Používatelia budú môcť určiť konfigurácie, ktoré chcú. Zariadenia MinION môžu pracovať aj v klastroch pomocou softvéru spoločnosti a rozbočovača USB.
"Oxford Nanopore je rovnako elektronická spoločnosť ako biotechnologická spoločnosť," povedal generálny riaditeľ spoločnosti Gordon Sanghera.
Spoločnosť to vyskúšala s fágom Phi X, bakteriálnym vírusom, ktorý jedným ťahom sekvenoval celý genóm vírusu s veľkosťou 54 000 báz alebo 5,4 kilobáz. Prvé stroje GridION, ktoré sa začnú predávať tento rok, budú čítať 100 kilobáz, čo je oveľa dlhšie ako úryvky DNA, ktoré používa väčšina súčasných sekvenátorov. To poskytne presnejší pohľad na štruktúru DNA, hovorí spoločnosť.
Spočiatku bude systém GridION obsahovať uzol obsahujúci 2 000 nanopórov, ktorý dokáže čítať DNA rýchlosťou stoviek kilobáz za sekundu. Kazeta MinION dokáže bežať rýchlosťou 150 megabáz za hodinu počas svojej šesťhodinovej životnosti. Do roku 2013 spoločnosť plánuje začať predávať uzly s 8 000 nanopórmi, z ktorých každý číta stovky kilobáz. Zhluk 20 týchto uzlov by teoreticky dokázal sekvenovať 3,2 miliardy párov báz v ľudskom genóme do 15 minút, povedal Sanghera.
