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Il genoma da 100 dollari
Attualmente costa circa $ 60.000 per sequenziare un genoma umano e una manciata di gruppi di ricerca spera di ottenere un genoma da $ 1.000 entro i prossimi tre anni. Ma due società, Genomica completa e BioNanomatrix , stanno collaborando per creare un nuovo approccio che possa sequenziare il tuo genoma a meno del prezzo di un bel paio di jeans e la tecnologia potrebbe leggere il genoma completo in una sola giornata lavorativa. Sarebbe stato assolutamente impossibile pensare a questo progetto 10 anni fa, afferma Radoje Drmanac , direttore scientifico di Complete Genomics, con sede a Mountain View, in California.
Sequenza economica: Infilare lunghe molecole di DNA attraverso canali di dimensioni nanometriche su un chip fabbricato appositamente potrebbe fornire un modo più economico per sequenziare il DNA. Questa immagine mostra un wafer sviluppato da BioNanomatrix. Ogni rettangolo è un chip nanoanalizzatore rivestito con 50.000 canali.
Le cifre più recenti per il sequenziamento di un genoma umano sono di $ 60.000 in circa sei settimane, come riportato da Biosistemi applicati lo scorso mese. (Ciò è inferiore a $ 3 miliardi per il Progetto Genoma Umano, che è stato sequenziato utilizzando metodi tradizionali e terminato nel 2003, e circa $ 1 milione per il genoma di James Watson, sequenziato utilizzando un approccio più recente e ad alto rendimento e rilasciato l'anno scorso.) Ma gli scienziati sono stanno ancora correndo per sviluppare metodi sufficientemente veloci ed economici da consentire a tutti di ottenere il sequenziamento dei propri genomi, inaugurando così davvero l'era della medicina personalizzata.
La maggior parte delle tecnologie esistenti rileva la sequenza del DNA una singola lettera alla volta. Ma Complete Genomics mira ad accelerare il processo rilevando intere parole, ciascuna composta da cinque lettere del DNA. Drmanac paragona la tecnologia alle ricerche di Google, che interrogano un database di testo con parole chiave. Accelerando ulteriormente il processo con una nuova chimica e progressi nella nanofabbricazione, le aziende svilupperanno un dispositivo in grado di leggere contemporaneamente la sequenza di più genomi su un singolo chip.
Per realizzare il nuovo sequenziamento, gli scienziati prima generano tutte le possibili combinazioni di segmenti di DNA di cinque lettere, date le quattro lettere, o basi, che compongono tutto il DNA. Questi segmenti sono etichettati con diversi tipi di marcatori fluorescenti e aggiunti in gruppi a una molecola di DNA a singolo filamento. Quando un particolare segmento corrisponde a una sequenza sul filamento di DNA da leggere, si lega a quella parte della molecola. Una fotocamera specializzata scatta quindi un'immagine: i diversi segnali fluorescenti indicano la sequenza in punti specifici lungo il filamento di DNA. Il processo viene ripetuto con diverse combinazioni di DNA di cinque lettere, fino a quando non viene sequenziato l'intero cromosoma. L'approccio è fattibile a causa della recente disponibilità di sintesi del DNA a basso costo, rendendo molto più efficiente la generazione di librerie di questi segmenti di DNA.
Ogni molecola di DNA sarà inserita in un dispositivo nanofluidico, realizzato da BioNanomatrix con sede a Filadelfia, rivestito con file di minuscoli canali. La larghezza ridotta dei canali, circa 100 nanometri, costringe il DNA normalmente aggrovigliato a distendersi, allineandosi come un treno in un lungo tunnel e offrendo ai ricercatori una visione chiara della molecola. Dal momento che possiamo allungare il DNA, possiamo ottenere un'enorme quantità di informazioni da ogni pezzo di DNA che guardiamo, dice Mike Boyce-Jacino , amministratore delegato di BioNanomatrix. La grande differenza rispetto a qualsiasi altro approccio è che stiamo osservando la posizione fisica nello stesso momento in cui guardiamo le informazioni sulla sequenza. I metodi di sequenziamento attualmente in uso mettono in sequenza piccoli frammenti di DNA e quindi mettono insieme la posizione di ciascun frammento in modo computazionale, il che richiede più tempo e richiede un sequenziamento ripetitivo.
Le aziende hanno ancora una lunga strada per il genoma da $ 100. BioNanomatrix ha già dimostrato che lunghi pezzi di DNA, lunghi due milioni di lettere, possono essere inseriti nei canali dei chip esistenti. Ma ora i ricercatori devono sviluppare chip con molti più canali, in modo che il valore del DNA di più genomi possa essere sequenziato contemporaneamente.
L'ostacolo principale per Complete Genomics sarà generare etichette fluorescenti che possano essere rilevate facilmente e con precisione. La maggior parte dei metodi attuali supera questo problema creando molte copie della stessa molecola di DNA e sequenziandole simultaneamente, aumentando così il rapporto segnale-rumore. Ma questo approccio limita la lunghezza del pezzo di DNA che può essere sequenziato e aumenta i costi aumentando la quantità di sostanze chimiche necessarie per la reazione.
Il progetto fa parte del Programma di tecnologia avanzata , finanziato dal National Institute of Standards and Technology per stimolare lo sviluppo di nuove tecnologie ad alto rischio. Quest'anno, Complete Genomics sta rilasciando un prodotto commerciale basato su una chimica simile, ma la società ha rifiutato di fornire dettagli sul suo stato.
La tecnologia necessaria per ottenere un genoma da $ 100 è ancora lontana almeno cinque anni, afferma Chiesa di San Giorgio , genetista alla Harvard Medical School, a Boston, e membro del comitato consultivo scientifico di Complete Genomics. Ma [proviene] da un'azienda che ha una tecnologia quasi altrettanto valida in uscita quest'anno.
Entrambi Drmanac e Boyce-Jacino dicono che uno dei maggiori vantaggi della loro tecnologia sarà la capacità di sequenziare filamenti di DNA molto lunghi. Le più recenti tecnologie di sequenziamento in uso oggi leggono il DNA in scatti piuttosto brevi, da circa 30 a 200 lettere, che vengono poi unite da un computer. Questo approccio funziona bene per alcune applicazioni, come il risequenziamento di un genoma noto. Ma un numero crescente di studi suggerisce che i piccoli cambiamenti strutturali nel DNA, come le delezioni o le inversioni di brevi sequenze, svolgano un ruolo significativo nella variabilità umana, afferma Jeff Castle , direttore del programma per lo sviluppo tecnologico presso il National Human Genome Research Center, a Bethesda, MD. Questi sono molto più difficili da raccogliere con le letture brevi.
Letture più lunghe consentiranno inoltre agli scienziati di esaminare raccolte di variazioni genetiche che sono state ereditate insieme, note come aplotipi. Questo tipo di analisi può determinare se una particolare variazione genetica è stata tramandata dalla madre o dal padre dell'individuo. Ricerche recenti suggeriscono che in alcuni casi l'ereditarietà materna o paterna può influire sulla gravità della malattia. Con nuovi strumenti per tracciare meglio i modelli di ereditarietà, gli scienziati potrebbero scoprire che questo fenomeno è più comune di quanto si pensasse in precedenza. Questo è uno dei motivi per cui speriamo che molti dei metodi emergenti consentiranno letture lunghe, afferma Schloss.