Движеща промяна към цифровия свят

Разбира се, че сте чували за геномно секвениране, но знаете ли каква технология го прави възможна? Знаете ли колко струва секвенирането на геном? В тази статия ви даваме отговорите на тези и други въпроси и анализираме най-новите данни за тази технология.

геномът

Началото на всичко: генетичният код на ДНК

Нашият генетичен код и този на всички живи организми, от най-малкия от вирусите до най-големия от динозаврите, съществували някога, се основава на азбука от само четири букви: A, C, G и T (по една за всеки нуклеотид или ДНК база: аденин, гуанин, цитозин и тимин, съответно).

С този четвъртичен език се пишат ДНК веригите. Съвкупността от всички ДНК вериги на живо същество е неговият геном. Човешкият геном се състои от 46 нишки ДНК (46 хромозоми) на обща стойност над 3 милиарда букви. Всяка от нашите клетки в своето ядро ​​съдържа копие на нашия геном. Едно и също копие във всяка клетка. Този геном ще бъде обработен по различен начин за всеки тип клетка, както обяснихме в скорошната ни статия:

„Какво е генетично наследство, обяснено с нотите на пиано“

Геномните последователности могат да се консултират в публични бази данни

Редът, в който четирите букви A, C, G и T са написани в геном, е това, което е известно като неговата последователност. В момента е известна последователността от хиляди геноми; и тези последователности се съхраняват в огромни бази данни, много от които публични и свободно достъпни. Най-важните публични геномни бази данни са NCBI (Национален център за биотехнологична информация, САЩ), ENA (Европейски нуклеотиден архив, Великобритания) и DDBJ (ДНК база данни на Япония, Япония).

Всички проекти за секвениране, финансирани с публични средства, са задължени да разпределят свободно последователностите, получени при техните разследвания, към която и да е от тези бази данни, така че да могат свободно да се консултират или използват.

Човешкият геном беше напълно секвениран през 2001 г. И този етап за молекулярната биология беше публикуван едновременно от научни списания Природата Y. Наука.

Технологиите, които правят възможно геномното секвениране

Но как да четете нишките на ДНК? Първата стъпка във всеки проект за секвениране винаги е да се фрагментират ДНК веригите на генома на по-малки парчета, което ще улесни екипите за секвениране да ги прочетат. След като геномът бъде фрагментиран, за всяка ДНК база ще бъдат поставени различни етикети, които ще накарат оборудването за секвениране да ги разпознае, да ги преведе като A, C, G или T и да изпрати този превод на софтуер, който ще върне изображение, подобно на е:

Тези софтуерни изходи се наричат ​​хроматограми, в които всяка ДНК база е представена с различен цвят (зелен за A, син за C, черен за G и червен за T). Той също така показва качеството на всяко отделно базово отчитане, представено от вертикална зелена лента. Индексът на качеството на ДНК последователност се изчислява чрез сумиране на индивидуалното качество на всяка база и служи за различаване между последователности с ниско, средно и добро качество. В зависимост от последващите приложения на ДНК последователността могат да се използват всички качества или само най-доброто качество.

Показанията за секвениране се изпращат до база данни, която след като се анализират тяхното качество и друга информация, свързана с проекта за секвениране, им присвоява идентификационен код (уникален за всяка ДНК последователност в базата данни) и съхранява. Като потребители на тази база данни, при изтегляне на последователност ще ни бъде върнат файл в текстов формат, подобен на този:

Първите два реда на файла, разграничени със знак>, съдържат уникалната информация за тази ДНК последователност: нейният цифров код (в случая 568815593), нейното име (в случая NC_000005.10, съответстващо на човешка хромозома номер 5) последвано от точното й местоположение в рамките на тази хромозома (: c151690947-151657201, последователността е между тези начални и крайни позиции). Забележка: буквата c показва, че последователността е прочетена в комплементарната ДНК верига, следователно началната й позиция на четене е число, по-голямо от крайната позиция на четене.

Източник: https://www.genome.gov/27562862/breve-historia-del-proyecto-del-genoma-humano/

Има различни технологии за секвениране

Целта на тази статия не е да направи подробен анализ на всяка технология за секвениране, разработена до момента, а да представи глобална визия, която ни помага да разберем причината за еволюцията на нейните разходи и следователно демократизацията на нейното приложение. За преглед на различните технологии това е добро ръководство на испански.

През 70-80-те години на миналия век ДНК секвенирането беше стандартизирано във всички лаборатории за молекулярна биология; Това беше ръчно секвениране, базирано на радиоактивно маркиране на ДНК основи. Отчитания на 150-300 основи бяха постигнати за всяка реакция на секвениране и до 10 независими реакции могат да бъдат включени във всеки кръг. Наричаше се ръчно, защото четенето беше извършено от потребителя въз основа на.

В средата на 90-те години първото оборудване за автоматично секвениране започва да се предлага на пазара, така наречено, тъй като вече включва софтуер, който „чете“ последователността; Освен това беше времето, когато радиоактивното етикетиране беше изоставено (с последващото намаляване на професионалните рискове) за етикети, базирани на флуоресцентни емисии, които и до днес продължават да бъдат в основата на някои настоящи методи за масово секвениране.

Истинската революция в технологиите за секвениране започва с разработването на миниатюризация на устройства за зареждане на ДНК проби: първо се появяват 96-ямкови плаки (1 ДНК проба се поставя във всяка ямка), след това капацитетът им се утроява до 384 ямки на плака и накрая до днес, когато се използват плочи, където се поставят едновременно десетки хиляди ДНК проби.

Ако към това, което вече беше коментирано, добавим подобренията, направени в архитектурата на оборудването, в откриването на маркиращите етикети на ДНК основите и в използваните алгоритми за секвениране, всичко това означава постепенно намаляване на разходите за секвениране.

Но колко струва последователността на генома?

Изготвихме графика на еволюцията на разходите за секвениране на геном от 2001 до 2017 г., използвайки публични данни от NHGRI (Национален институт за изследване на човешкия геном) на САЩ, един от пионерите в секвенирането на човешкия геном и в момента такъв на водещите хранилища на публични проекти за последователност в целия свят. Суровите данни и методите, използвани за изчисляването му, могат да бъдат разгледани тук.

Графиката по-горе представя цената на геном (в хиляди щатски долари) спрямо изминалото време (от 2001 до 2017 г.). За да се наблюдават по-добре огромните открити разлики, цената на геном е представена в логаритмична скала. През 2001 г. секвенирането на генома струва около 100 милиона щатски долара, докато днес това струва само 1000 щатски долара. През тези 17 години се наблюдават различни фази на това намаление: до 2007 г. се наблюдава намаление от 10%, но от 2007 г. разходите за последователност са намалени с много ускорена скорост; Това се дължи на въвеждането на подобренията, споменати по-горе от различните технологии за масово секвениране и на ожесточената конкуренция, която съществуваше и съществува между технологичните компании, които ги разработиха.

Значението на тези евтини разработки вече е преведено в много области на приложение, по-специално в така наречената персонализирана медицина. Неговата цел е да оптимизира медицинското лечение, както и здравните препоръки въз основа на индивидуалните геномни характеристики на всеки пациент.

Не след дълго, нашата геномна последователност ще бъде включена в нашата клинична история и към нея ще се присъединят данните за мониторинг в реално време, които получаваме чрез нашите мобилни приложения. Те са трите крака на така нареченото „Големи данни в здравето“.

Всяка технологична промяна винаги е предполагала през историята известен страх от страна на обществата, които са ги виждали родени, но също така е доказано, че правилното използване на технологии, основани на адекватно и актуализирано регулиране, е позволило важен напредък на човечеството. Правилният регламент при използването на нашите геномни данни ще насърчи развитието на приложения, които несъмнено ще подобрят качеството ни на живот.

Библиографски справки, използвани при подготовката на тази статия:

Мардис Е. Десетилетие на технологията за секвениране на ДНК. Природата, 470: 198-203. 2011 г.

Metzker M. Технологии за секвениране - следващото поколение. Генетика на природата, 11: 31-46. 2010 г.

Човешки геном в десет: експлозията на последователността. Природата, 464: 670-671. 2010 г.