Дебютът на комерсиалното ДНК секвениране с нанопори/ Nanopore sequencer brings 1000-dolar genome closer to reality

Миниатюрната касета за секвениране на ДНК MinION може да се включи директно в лаптоп или компютър през USB порт (снимка Oxford Nanopore Technologies). / The miniaturized DNA sequencing cartridge MinION can be plugged directly into a PC or a laptop via a USB port (image Oxford Nanopore Technologies)

През 2003 учени обявяват, че са успяли да секвенират човешкия геном, тоест да прочетат и подредят в правилната последователност трите билиона чифта бази (наричани още нуклеотиди), които съставят нашето ДНК. Проектът отнема 13 години и струва повече от 2.7 милиарда щатски долара – цена, която все още не е крайна, защото анализа на данни още продължава. Стремежът на изследователите на човешкия геном е да открият генетични маркери, които са отговорни за развитието на болести и могат да бъдат използвани за създаването на нови лекарства. За да се развие този тип лична медицина, която разчита ДНК и създава индивидуални диагноза и лечение за всеки пациент, времето и цената за секвениране  на генома или големи части от него трябва да спаднат значително, според някои изчисления под 1000 щатски долара и 1 ден за анализ на геном.

Тази седмица английската компания Oxford Nanopore Technologies обяви успешното разчитане на малък вирусен геном с тяхната нова система за секвениране с нанопори. Новите машини работят с касета за еднократно използване, която съдържа всички химикали необходими за работа и единственото което се изисква от потребителите е да сложат ДНК-то, което искат да изследват. Касетата съдържа мембрана с хиляди нанопори, модифициран вариант на пората алфа-хемолизин, с която стафилококите перфорират мембраната на клетките, които заразяват. По време на анализ, ензим на ръба на нанопората разплита ДНК и промушва веригата през пората. Там пръстен от друга малка молекула, циклодекстрин, задържа ДНК-то за различно време и с различна сила в зависимост от това, каква комбинация от четирите възможни бази (наричани за кратко А, Т, Г и Ц) кодиращи гените минава през пората в този момент. За разлика от повечето досегашни машини за ДНК секвениране, нанопорите не разчитат на химическа реакция, а на електрически промени в касетата, когато ДНК молекулата преминава през нанопората и по този начин ускоряват секвенирането и намаляват цената на изследването. Oxford Nanopore Technologies предлагат два варианта на своята машина, GridION, в която потребителите могат да добавят и изваждат касети според нуждите си, и по този начин контролират цената и мащаба на експеримена, и миниатюрната MinION, която се свързва към компютър или лаптоп чрез USB порт и ще се продава за по-малко от 900 USD. Секвенирането с нанопори все още трябва да се докаже като приложение за сложни геноми като човешкия, но изглежда геномът за 1000 долара вече е по-близко до реалността.

Системата за секвениране на ДНК с нанопори GridION вляво и МinION пред компютъра. Комбинация от 20 GridION касети може да секвенира човешкия геном за 15 минути. (снимка Oxford Nanopore Technologies)/ The nanopore DNA sequencing system GridION on the left, and MinION in front of the laptop. A grid of 20 GridION cartridges can sequence the human genome in 15 minutes. (image Oxford Nanopore Technologies).

In 2003 the complete sequence of the human genome was announced, with scientists declaring that for the first time they have read and assembled in the correct sequence the three billion base pairs (or nucleotides) that comprise our DNA. The Human Genome Project took 13 years and 2.7 billion dollars, a price which is set to climb higher as data analysis of the project’s results continues today. The researchers hope that mining of the genome data will lead to the discovery of genes that are associated with particular diseases, and help in the synthesis of new drugs. However, this type of personalized medicine, which uses a patient’s DNA to determine an individual diagnosis and treatment is far from feasible, unless the time and money needed for sequencing of the human genome, or large parts of it, drop down significantly, up to less than 1000 USD and 1 day per genome.

This week the UK-based Oxford Nanopore Technologies announced the successful sequencing of a small viral genome with their new nanopore technology. The new sequencers work with a single-use cartridge which contains all necessary chemicals and the only thing the user needs to do is add the DNA to be analysed. The cartridge contains a membrane punctured by thousands of nanopores, a modified variant of the pore-forming alpha-haemolysin, which bacteria of the species Staphylococcus use to punch holes in the membrane of infected cells. During analysis, an enzyme sitting on the edge of the nanopore unravels the DNA helix and feeds it through the pore. Inside, a ring of another small molecule, cyclodextrin, binds to each DNA base that is passing through for a length of time determined by which one of the four nucleotides that make up DNA (A, T, C or G) is in the pore at that moment. Unlike most sequencers on the market, the nanopore-based process relies on electrical changes in the cartridge as the DNA passes through the pore and does not require chemical modification or amplification of the DNA in the sample, speeding up the reaction and reducing processing costs significantly. Oxford Nanopore Technologies have two versions of their sequencer, the GridION in which cartridges are arranged in grids that the users can add to or take out, determining the price and scale of the experiment themselves, or the miniature MinION, which contains a single cartridge that plugs into a laptop or a PC via a USB port and is expected to have a market price of less than 900 USD. Nanopore sequencing still needs to prove its uses in complex genomes like the human one, but the 1000-dollar genome already seems a little closer to reality.

Секвениране с нанопори (видео от Oxford Nanopore)/ Nanopore DNA sequencing from Oxford Nanopore on Vimeo.