Snabb DNA-sekvensering kan snart bli en rutinmässig del av varje individs journal, tillhandahåller enorm information som tidigare sekvestrerats i det mänskliga genomets 3 miljarder nukleotidbaser. Veckans NYHETSFOKUS-sektion av tidskriften Vetenskap beskriver de senaste framstegen inom sekvenseringsteknik.

Stuart Lindsay, chef för Biodesign Institutes Center for Single Molecule Biophysics, ligger i framkant av denna forskning, har framgångsrikt tagit itu med en central stötesten i nanoporesekvensering – läsning av enstaka nukleotidbaser i en DNA-kedja. Lindsays senaste experimentella resultat, som visar kritiska förbättringar i DNA-avläsningar, har precis dykt upp i journalen Nanoteknik .

När noggrann sekvensering faller under tröskeln på $1, 000 per genom, tekniken borde bli allestädes närvarande, enligt många. Som den aktuella vetenskapsöversikten antyder, den dagen kan närma sig när både hastigheten och kostnaden för sekvensering av hela genomet går framåt i en takt som överträffar Moores berömda lag, (vilket kräver en fördubbling av datorkraften – och halvering av kostnaden – var 18:e månad).

Den senaste tekniska tävlingen involverar idén att trä en enda DNA-sträng genom en liten, ögla i molekylär skala känd som en nanopor. Denna strategi kan snart tillåta att hela DNA-sekvensen kan läsas på en gång, istället för att skära isär, dechiffrerad i korta fragment och mödosamt återmonterad.

Medan den första sekvenseringen av det mänskliga genomet tog forskarna 13 år och 3 miljarder dollar att uppnå, under överinseende av Human Genome Project, bedriften kan snart uppnås med den förblindande hastigheten på 6 miljarder nukleotidbaser var 6:e ​​timme till en kostnad av 900 USD. Det är åtminstone det extravaganta påståendet från Oxford Nanopore Technologies, ett av de banbrytande företagen som driver ny sekvensutveckling.

Sedan den till synes quixotiska idén om nanopore-sekvensering först kom på i mitten av 1990-talet, enorma framsteg har gjorts. Grundidén är att när en nanopor är nedsänkt i en ledande vätska och en spänning appliceras över den, ledning av joner genom nanoporen kommer att producera en mätbar elektrisk ström. Denna ström är mycket känslig för storleken och formen på nanoporen och i teorin, varje nukleotidbas i DNA-tråden kommer att blockera nanoporen när den migrerar, ändra jonströmmen på ett igenkännbart och reproducerbart sätt.

DNA-"tråden" är dock ett knepigt material att manipulera - så fint att det skulle behövas cirka 5000 DNA-strängar sida vid sida för att vara lika med bredden på ett människohår. Bara att hitta en passande ögla i denna skala visade sig vara en utmaning. I början, porös, transmembranproteiner undersöktes. alfahemolysin (αHL), en bakterie som orsakar lys av röda blodkroppar, verkade vara en särskilt lovande kandidat, givet den nanopordiameter som krävs för sekvensering av DNA.

Sedan dess, andra proteinbaserade portaler för DNA har mixtrats med och på senare tid, olika "solid state" nanoporer av kisel eller grafen har undersökts. Dessa kan lättare tillverkas och deras egenskaper, mer exakt styrd.

Enligt Sciences genomgång av den nuvarande teknikens ståndpunkt, nanopore-sekvensering "verkar redo att lämna labbet, ” och drömmen om ett $1000-genom kan vara nära till hands, även om utmaningarna kvarstår. Ett ihållande problem med att sekvensera individuella baser har varit att de tenderar att strömma genom nanoporen för snabbt för att lokalisera varje bas oberoende. Istället, den uppmätta strömmen i tidiga experiment reflekterade medelvärdet som producerades av en grupp baser som slingrade sig igenom tunneln.

Lindsays teknik bygger på att läsa elektrisk ström i en liten krets som består av en DNA-nukleotid som är instängd mellan ett par guldelektroder, som spänner över en nanopor. Elektroderna är gjorda genom att funktionalisera spetsen på ett scanning tunneling microscope (STM), med molekyler som kan binda enskilda DNA-baser när de sticker sina huvuden genom nanoporen.

Recognition Tunneling, namnet Lindsay gäller hans sekvenseringsmetod, förlitar sig på att utrusta en av två elektroder med avkännande kemikalier, den andra med nukleotidmålet som ska avkännas. En signal alstras när förbindelsen mellan avkänning av kemikalier och mål självmonterar sig, stänga kretsen.

I denna typ av korsning, där längder som separerar elektroder är nere på molekylär skala, elektroner kan uppvisa udda beteende associerat med den kvantsubatomära världen, "tunnlar" genom barriärer under förhållanden som är förbjudna av klassisk fysik. I ett sådant scenario, var och en av de fyra nukleotiderna ska producera en signatur tunnelström, som kan användas för att sekvensera DNA bas för bas när den matar sig genom nanoporen. Att fånga varje bas tillfälligt ger tid för en exakt identifiering, innan det släpps och DNA-tråden fortsätter sin transmigrering genom nanoporen.

Att ersätta jonströmsflöde med tunnelström kan potentiellt förbättra sekvensupplösningen avsevärt och i deras senaste arbete, Lindsays grupp visar att multiparameteranalys av strömtopparna som produceras genom tunnelering verkligen kan identifiera varje DNA-bas eftersom den tillfälligt är fäst vid vätebindning mellan de funktionaliserade elektroderna.

Det finns mer.

Förutom att fastställa nukleotididentitet med mer än 90 procents noggrannhet, tekniken tillåter också att miljögenmodifieringar kan identifieras, till exempel, metylering. Detta representerar ett stort framsteg för sekvensering, eftersom sådana epigenetiska förändringar av genomet har djupgående konsekvenser för studiet av människors hälsa och sjukdomar, inklusive embryonal och postnatal utveckling, och cancer.

The Nanotechnology paper beskriver ett nytt tillvägagångssätt för att analysera tunnelsignalerna. Lindsay-gruppen använde maskininlärning (processen som användes av IBMs Watson för att vinna på Jeopardy) för att träna en dator att känna igen DNA-baserna. Maskinen kallade alla fyra baserna (A, T, C och G) såväl som den "femte basen" - metyl - som bär den epigenetiska koden, med 96 procents noggrannhet på en enda molekylavläsning.

"Oxford Nanopore har gjort ett enormt genombrott inom nanopore-sekvensering med hjälp av jonström, som framhållits i NEWSFOCUS-berättelsen, säger Lindsay. "Men vi tror att vi kan ta ännu mer till bordet med den överkänsliga och kemiska upplösningen av Recognition Tunneling."

Roche Pharmaceuticals har nyligen licensierat tekniken.

Racet med höga insatser för snabb sekvensering verkar gå in på hemmaplan, även om nya överraskningar troligen före mållinjen. När den väl är korsad, eran av personlig medicin kommer att ha kommit. Många nya insikter om den genomiska grunden för människors hälsa och sjukdomar kommer nästan säkert att följa.