Программное обеспечение для ускорения и удешевления секвенирования ДНК
Исследователи из Университета Джонса Хопкинса разработали программное обеспечение, которое может революционизировать секвенирование ДНК, сделав его значительно быстрее и дешевле для анализа геномов — от дрожжей до генов рака.
Программа, описанная в статье в Nature Biotechnology, совместима с портативными устройствами для секвенирования и ускоряет проведение генетических тестов и постановку диагнозов вне лабораторий. Новая технология целенаправленно находит, собирает и секвенирует определённые гены без подготовки образца и без необходимости картировать окружающий генетический материал, как того требуют стандартные методы.
"Я думаю, это навсегда изменит способ секвенирования ДНК", — заявил Майкл К. Шац, старший автор статьи.
Новый процесс сокращает время профилирования генетических мутаций с 15 и более дней до всего трёх. Это позволяет учёным почти мгновенно понимать и диагностировать состояния, экономя время и деньги за счёт устранения подготовки образцов и дополнительного анализа.
"В геномике рака есть несколько десятков генов, повышающих риск, но при стандартном запуске секвенирования вам пришлось бы секвенировать весь геном, чтобы прочитать эти несколько генов", — пояснил Шац. Адаптивное секвенирование позволяет исследователям "выбирать, какие молекулы мы хотим прочитать, а какие можно пропустить".
Для иллюстрации ускорения Шац сравнил процесс с поиском фильма на Netflix. Стандартный метод был бы похож на просмотр каждой секунды каждого фильма в каталоге. Адаптивное секвенирование устраняет часы просмотра нерелевантного контента, быстро распознавая ненужные фильмы и переходя к следующему.
Алгоритм открытого программного обеспечения был написан аспирантом Сэмом Ковакой. Его акроним UNCALLED расшифровывается как Utility for Nanopore Current Alignment to Large Expanses of DNA.
На написание кода, разработку и тестирование ушло два года, и ещё год — на доработку для получения результатов, достойных публикации.
"UNCALLED обеспечивает беспрецедентную гибкость в целевом секвенировании. То, что оно чисто программное, означает, что исследователи могут нацеливаться на любую геномную область без дополнительных затрат по сравнению со стандартным запуском и могут легко менять цели, просто запустив другую команду", — отметил Ковака.
Как это работает
Процесс идентифицирует молекулы ДНК, когда они проходят через крошечные electrified отверстия, или "нанопоры", внутри устройств, называемых нанопоровыми секвенаторами (портативные версии громоздких лабораторных машин). Программа считывает данные и проверяет их эталонную последовательность указанного генома за доли секунды.
- Желаемые молекулы пропускаются через пору для полного картирования.
- Если обнаружена нежелательная молекула, программа меняет напряжение в нанопоре, физически выталкивая молекулу, чтобы освободить место для следующей.
"Это как вышибала в ночном клубе, который пускает желаемых гостей из списка, а остальных отвергает с помощью электрошокера", — объясняет Шац.
Демонстрации возможностей
Секвенирование генов рака: Программа улучшила секвенирование 148 генов, повышающих риск рака, быстро и точно профилировав все их варианты за один запуск на портативном секвенаторе. Это позволило в реальном времени каталогизировать десятки сложных структурных мутаций в генах рака, которые были бы пропущены при стандартном запуске.
Селективное секвенирование из окружающей среды: Нацелившись на определённые виды в образце (например, микробы из прудовой воды), программа отклоняла молекулы известных микробов (таких как E. coli). Это позволило эффективно секвенировать оставшиеся молекулы, выявив менее изученный геном дрожжей.
UNCALLED работает на стандартном оборудовании для нанопорового секвенирования без специальных реагентов или ускорителей. Выбор генов или геномов для секвенирования полностью контролируется программным обеспечением и может быть изменён в любой момент.