Генная инженерия — для всех!

Сегодня словосочетание «генная инженерия» для большинства уже не является пугающе незнакомым. И мало какая отрасль сравнится по масштабам инвестирования с bioIT-технологиями. Персональная геномная машина (Personal Genome Machine — PGM) — новое изобретение, которое, возможно, сильно изменит нашу жизнь.

Это изобретение является новейшим ДНК- декодером, разработанным на основе кремния, что позволяет считывать последовательности азотистых оснований с использованием полупроводниковой технологии. Внешне оно напоминает современные игровые устройства или небольшой персональный компьютер. Размеры его составляют около 20 см, что делает устройство мобильным и чрезвычайно удобным в использовании. Всего за несколько часов «игрушка» может расшифровать до 20 пар нуклеотидов ДНК с высокой степенью точности.

Прибор разработан Джонатаном Ротбергом (Jonathan Rothberg), основателем и генеральным директором компании «Ion Torrent». Описывая свое изобретение, он подчеркивает, что предлагаемая компанией методика секвенирования принципиально нова, поскольку не является оптической. Приборы «Ion PGM» работают по принципу прямого определения электрического сигнала от нуклеотидов на одноразовом чипе, а работа секвенаторов, разработанных ранее, основана на оптическом считывании последовательности нуклеотидов, меченых четырьмя разными флуоресцентными красителями. Благодаря этому процесс секвенирования на приборе «Ion PGM» занимает всего несколько часов, в то время как большинству приборов, используемых в настоящее время, требуется около недели для расшифровки последовательности ДНК из одного образца.

Преимущество кремниевого основания заключается еще и в том, что его можно очень быстро оптимизировать. Дж. Ротберг обещает, что за первое полугодие 2011 г. он увеличит мощность прибора в 10 раз. Этого можно будет достигнуть благодаря полупроводниковым свойствам чипа путем удваивания количества транзисторов в чипе каждые 18 мес.

Дизайн PGM простой, как все гениальное. Справа на панели размещены 8 клавиш, слева — порт для загрузки данных. Под ними находятся четыре пробирки, маркированные кругом, крестиком, плюсом и квадратом. Эти символы обозначают четыре аминоосновы, которые составляют молекулу ДНК — гуанин, аденин, цитозин и тимин.

В основе прибора размещен кремниевый чип с 21 млн транзисторов. В середине чипа расположен канал толщиной в два человеческих волоса, через который пропускают ДНК. Машина захватывает одну из спиралей и, используя ферменты, комплементирует ее. При каждом соединении аденина с тимином и цитозина с гуанином соответственно выбрасывает электрический импульс, который распознается и фиксируется.

Основной сферой применение секвенатора, по мнению разработчиков, будет медицинская отрасль. Они надеются, что благодаря прибору в недалеком будущем ученые смогут точно определять механизмы развития онкологических заболеваний на генетическом уровне. Это позволит разработать и использовать наиболее прицельные методы лечения пациентов онкологического профиля. Уже сегодня ведутся множественные исследования в данном направлении, примером которых является появление таргетной терапии. Идеальной нишей для работы секвенатора являются генетические тесты, которые рекомендуется проводить при планировании беременности для выявления вероятности возникновения врожденной патологии.

Когда ученые начали расшифровывать геном человека, они надеялись на быструю разгадку природы таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, сердечно-сосудистые заболевания, шизофрения, неврологические расстройства и т.д., но этого не произошло.

Генетические исследования оказались малоинформативными также в изучении диабета, гипертонической болезни и других распространенных заболеваний. Сложившаяся ситуация объясняется недостаточной мощностью существующего оборудования. Геном человека составляют 6 млрд сложных химических соединений, служащих буквами для написания генетического кода. И даже незначительная мутация, которую крайне тяжело выявить сегодня, может существенно повышать риск развития болезней, врожденных и приобретенных. Очевидно, что уровень развития техники и науки пока еще не позволяет до конца разобраться в этих тонких механизмах. Но ученые надеются, что такая возможность появится в ближайшем будущем.

Дж. Ротберг рассказал, что при разработке данной технологии основной мотивацией была проблема редких геномных заболеваний. Сегодня их насчитывают около 6 тыс., и для некоторых из них уже найдена причина и разработано подходящее лечение при помощи секвенирования ДНК.

На данный момент в мире подобные исследования в небольших объемах проводят всего в 400 лабораториях, но разработчики надеются, что PGM найдет применение в десятикратно большем количестве лабораторий и научно-исследовательских центров, умножив количество ученых, работающих над проблемами генетики и дав возможность развития многим экспериментальным исследованиям, которые давно ожидают в стороне. Джонатан Айзен (Jonathan Eisen), микробиолог из Университета Калифорнии (University of California, США), прогнозирует огромный спрос на секвенаторы «ION Torrent»: «В скором времени PGM будет сродни iPad для генетиков».

Но в настоящее время это все еще сравнительно небольшой бизнес, стоимость которого оценивается в 4 млрд дол. США. Хотя уже в ближайшее 10–20 лет эта сумма может возрасти до 100 млрд дол., третью часть дохода которой составит финансирование исследований в области онкологии. Сегодня расходы на лечение больных онкологического профиля составляют сотни тысяч долларов. Некоторые из них, например, больные раком молочной железы, уже сейчас проходят специальное генетические тестирование для определения подходящего им лечения. Если бы подобные тестирования сделали рутинными в мировой практике для всех 4 млн больных со злокачественными опухолями в США и Европе, это стоило бы около 20 млн дол. А с учетом рецидивов эта сумма возрастает до 40 млн дол.

Разработчики надеются, что благодаря PGM в недалеком будующем можно будет точно определить механизмы развития онкологических заболеваний на генетическом уровне.

Еще 10 млрд дол. принесет генетическое сканирование детей и подростков с необъясненными симптомами для верифицирования диагноза или факторов риска развития врожденных заболеваний. Предположительно сумму около 10 млрд дол. составит организация консультаций, возможно, новых врачебных специальностей, связанных с этим исследованием.

Мониторинг распространения инфекций в больницах, аэропортах и публичных местах и их идентификация в рамках санитарной профилактики могут задействовать еще 10 млрд дол.

Разработчики декодера уверены, что их изобретение будет полезным также в сельском хозяйстве, нанотехнологиях и в разрешении экологических проблем, к примеру для синтезирования альтернативных видов топлива.

Примером этого являются разработки Митчелла Соджина (Mitchell Sogin), ученого из Лаборатории морской биологии (Marine Biology Laboratory, Вудс-Хол), который стал использовать секвенирование ДНК для выявления источников фекальных загрязнений в питьевой воде в развивающихся странах. Он надеется, что PGM будет достаточно быстрым, чтобы определять источники загрязнения в режиме реального времени.

Новая технология, конечно, не сможет конкурировать с такими авторитетными приборами, как, например, секвенаторы «HiSeq» производства крупнейшей компании по разработке оборудования для генетического анализа «Illumina» (США). Такие приборы считывают до 250 млн пар нуклеотидов за 1 раз, и их стоимость составляет около 700 тыс. дол. Однако приборы «Ion PGM», способные считывать до 20 пар нуклеотидов за раз, возможно, окажутся более подходящими для небольших микробиологических и молекулярно-биологических компаний, работающих с небольшим количеством образцов ДНК.

«Для большинства лабораторий возможности приборов «HiSeq» являются излишними, — говорит Роб Найт (Rob Knight), микробиолог из Университета Колорадо (University of Colorado, США). — Один заход секвенирования на таком приборе обходится в несколько тысяч долларов и подразумевает использование тысяч образцов ДНК. Возможность быстрого и дешевого секвенирования малого количества образцов на приборах «Ion PGM», а также получения результата в течение всего нескольких часов делают эту методику более удобной для рутинного использования».

Однако необходимо учитывать и дополнительные расходы, связанные с покупкой секвенатора. Так, покупателям «Ion PGM» также нужно будет приобрести компьютер за 16,5 тыс. дол. для обработки результатов секвенирования.

Секвенатор «Ion PGM» — не единственный прибор, работающий по новой технологии. Компания «Pacific Biosciences» (США) в настоящее время проводит испытания нового секвенатора собственного производства, который поступит в продажу уже в следующем году.

Стоит также заметить, что сегодня все существующие приборы для секвенирования имеют как свои преимущества, так и свои недостатки.

Секвенаторы компании «Pacific Biosciences», например, не предназначены для розничной продажи, но технология, используемая в этих приборах, позволяет в 100 раз быстрее, чем с использованием секвенаторов «Ion PGM», считывать базовые последовательности генома, что может пригодиться для изучения определенных участков генома. Однако точность секвенирования в приборах «Pacific Biosciences» составляет лишь 80–85%, в то время как у секвенаторов «Ion PGM» она достигает 99%.

Дж. Айзен приобрел для своей лаборатории секвенатор производства компании «Pacific Biosciences». Это настольный прибор «GS Junior platform» стоимостью 100 тыс. дол., основанный на системе «454 Sequencing», способный считывать длинные фрагменты ДНК. По словам Дж. Айзена, если прибор «Ion PGM» действительно обладает точностью в 99%, то ученый согласен приобрести его в качестве дополнения к уже имеющемуся в его лаборатории секвенатору.

«Самой по себе низкой стоимости может оказаться недостаточно для продвижения нового секвенатора в клинические и молекулярно-диагностические лаборатории, — говорит Джей Шендур (Jay Shendure), генетик из Вашингтонского университета (University of Washington, США). — Потенциальных покупателей может привлечь низкая цена прибора, но главным остается вопрос, будет ли секвенирование ДНК вообще применяться в клинической практике».

Кроме того, для продвижения прибора в клинические лаборатории необходима его настройка, чтобы не только повысить скорость секвенирования, но и упростить все подготовительные этапы. В настоящее время подготовка проб для секвенирования в приборе «Ion PGM» занимает 1 день.

ION PGM более подходящие для небольших микробиологических и молекулярно-биологических компаний, работающих с небольшим количеством образцов ДНК.

Дж. Ротберг признает, что еще есть над чем работать. В связи с этим компания «Life Technologies» решила провести конкурс и учредила приз в 1 млн дол. каждому решившему одну из семи проблем в текущей методике секвенирования, используемой в приборах. Первые три задачи, которые необходимо решить, касаются уменьшения времени подготовки проб, повышения точности работы прибора, а также увеличения емкости микрочипа. Оставшиеся четыре проблемы будут объявлены в следующем году.

«Проблем еще много, однако уже сейчас мы имеем недорогую систему для секвенирования ДНК, которую мы будет совершенствовать — делать еще лучше и дешевле», — уверяет Дж. Ротберг.

Городецкая Анна, по материалам
www.forbes.com; www.nature.com
(©) Rennaulka | Dreamstime.com \ Dreamstock.ru
(©) Kjpargeter | Dreamstime.com \ Dreamstock.ru

Комментарии

Нет комментариев к этому материалу. Прокомментируйте первым

Добавить свой

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

Другие статьи раздела


Последние новости и статьи