Новая технология позволяет отсеквенировать геном человека за несколько дней
Две стеклянные пластины размером 3 на 1 дюйм содержали невообразимый объём генетической информации — 16 человеческих геномов. На прошлой неделе техник поместил эти пластины, называемые проточными ячейками (flow cells), в новый аппарат для секвенирования в Институте генома при Университете Вашингтона и закрыл дверь.
Задача будет выполнена всего за три дня.
Это поразительно, учитывая, что первое секвенирование человеческого генома учёным по всему миру заняло более 10 лет и около $1 млрд. Эта работа была официально объявлена завершённой в 2003 году.
Этот сверхбыстрый секвенатор, вышедший на рынок в прошлом году, продаётся только группами по 10 штук. Такая система способна секвенировать 18 000 человеческих геномов в год по цене всего $1000–1500 за геном.
Институт генома получает свой десятый аппарат HiSeq X, каждый из которых стоит $1 млн.
Колоссальное увеличение скорости и снижение стоимости секвенирования позволяют учёным проводить исследования беспрецедентного масштаба. Это необходимо для получения выводов и открытий о человеческих болезнях, которые врачи смогут применять на практике для персонализированного лечения.
«У нас есть возможность внедрить геномику в клиническую практику, понять, что вызывает болезнь, и в конечном итоге научиться её предсказывать», — сказал директор Института генома Рик Уилсон.
Именно эта цель и надежда стояли, когда лаборатории, подобные Институту генома, объединились в начале 90-х для решения казавшейся невыполнимой задачи картирования человеческого генома.
«Это как снова оказаться в самом начале. Это как ракета. Эта ракета доставит нас туда, куда старая ракета не могла», — сказал Уилсон.
Когда технология была впервые анонсирована в прошлом году, количественный биолог Майкл Шац из Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор сравнил её с изобретением телескопа или микропроцессора, сделавшего возможным современный персональный компьютер.
Шац заявил научному журналу Nature: «Если и были сомнения, что геномика когда-либо станет доступна обычному человеку, то при такой цене и эффективности это абсолютная уверенность».
Что в наших генах вызывает артрит, диабет или рак, не поддающийся лечению? Чтобы найти ответы в 6 миллиардах пар оснований ДНК, составляющих человеческий геном, требуется секвенирование больших популяций.
«Если у вас есть 10 000 человек с болезнью Альцгеймера и 10 000 человек, у которых никогда не было признаков болезни, идея в том, чтобы секвенировать обе группы и узнать что-то о болезни Альцгеймера, — объяснил Уилсон. — Поскольку каждый человек отличается от другого, этого нельзя сделать с пятью больными и пятью здоровыми. У вас не будет достаточно данных, чтобы выявить различия».
Именно поэтому новые секвенаторы продаются группами по 10 штук, согласно их производителю — калифорнийской компании Illumina.
«Эти системы предназначены для крупномасштабных проектов по полногеномному секвенированию человека, — сказал старший менеджер проектов Illumina Джоэл Феллис. — Цель — обеспечить как привлекательную цену, так и мощность, необходимую для секвенирования тысяч и десятков тысяч образцов».
Цена в $10 млн также гарантирует, что за высокоставленным покерным столом геномики окажутся только институты, обладающие экспертизой для расшифровки и хранения данных. Институт генома — одна из семи лабораторий в США и одна из 20 в мире, имеющих систему HiSeq X Ten.
«Я чувствовал, что если мы не вложимся в самые передовые технологии, есть риск остаться позади, — сказал Уилсон. — Я считал важным для региона продолжать иметь одно из лучших в мире мест для изучения современной геномики».
Институт генома был ключевым участником проекта «Геном человека», в конечном итоге предоставив 25% чертежа. Этому способствовало, в частности, четырёхкратное увеличение скорости секвенирования благодаря разработке метода идентификации четырёх оснований ДНК с помощью флуоресцентного красителя и лазеров. В 2008 году институт первым в мире секвенировал геном рака пациента с лейкемией и с тех пор секвенировал 750 детских раковых геномов, что привело к открытиям в 22 типах рака.
«Институт генома был пионером как в использовании технологий Illumina, так и в полногеномном секвенировании человека, особенно в изучении геномики рака, — сказал Феллис. — Многие из первых в мире геномов рака были секвенированы в Сент-Луисе, и мы с нетерпением ждём, как они будут использовать эту технологию в массовом масштабе».
Хотя институт многое узнал, секвенируя раковые и нормальные клетки человека и сравнивая их, Уилсон заявил, что ищет федеральные гранты для использования новой технологии секвенирования с целью выявления генетических ключей к более сложным заболеваниям, таким как болезни сердца, диабет и аутоиммунные расстройства.
Двадцать пять лет назад учёные вносили растворы в большую пробирку, где готовили ДНК к секвенированию. Процесс эволюционировал от маленьких пробирок к лотку с 96 лунками сантиметрового размера, которые заполняли роботы. Количество лунок увеличилось до 384. Затем появились миллионы крошечных ямок на пластине.
Проточная ячейка содержит поверхность, похожую на газон, которая может удерживать около 3 миллиардов молекул ДНК, которые можно секвенировать одновременно — учёные называют это «массово-параллельным» секвенированием.
«Чип — это как тысячи и тысячи лаборантов, сидящих за лабораторным столом, — сказал Уилсон. — Куча всего происходит одновременно».
Комнаты с оборудованием и лаборантами в Институте генома сменились комнатами с исследователями, сидящими за компьютерами. Боб Фултон, директор по управлению проектами, сказал, что никогда не представлял, что будет проводить большую часть дня перед экраном, просматривая матричные данные машины и показатели качества.
«Я даже не знаю, где мой лабораторный халат, — рассмеялся он. — Раньше экскурсии по этому месту были такими крутыми: роботы двигались, поднимали и разбрызгивали что-то. Теперь это скучно. Ничего эффектного».
Огромные прорывы в области секвенирования потребовали равных достижений в способности хранить и анализировать выходную информацию. Данные всего одного человеческого генома могут заполнить телефонную книгу размером с монумент Вашингтону.
Напротив Института генома находится дата-центр площадью 12 000 квадратных футов, где размещены суперкомпьютеры и серверы со своей собственной охлаждающей установкой и электрическими подстанциями. Оборудование постоянно обновляется по последнему слову техники, сказал Уилсон, а инженеры-программисты всегда работают над разработкой новых способов сжатия данных, ускорения сравнений и быстрого удаления ненужной информации.
Учитывая головокружительную скорость развития геномики за последние 20 лет, траекторию будущего прогресса трудно представить.
«Через пять лет, — сказал Уилсон, — мой iPhone или что-то подобное будет секвенировать мой геном».