Ny teknologi gjør genomdata tilgjengelig for flere forskere og privatpersoner. Innen utgangen av 2012 vil kostnadene ved å lese av hele DNA-koden til ett menneske nærme seg 6000 kroner.
Olve Moldestad i GENialt 1/2012
I desember 2010 ble den revolusjonerende sekvenseringsmaskinen Ion Personal Genome Machine lansert. Bak nyvinningen sto Ion Torrent, en divisjon av selskapet Life Technologies. Der teknologi tillater langt raskere og billigere avlesning av DNA-kode enn tidligere. Bruksområdet til Ion Personal Genome Machine er sekvensering av enkeltgener, utvalg av gener og bakteriegenomer.
Nå, 14 måneder senere, lanseres storebroren Ion Proton. Den er i stand til å lese et helt menneskelig genom (og andre plante- og dyregenomer) på under en dag og til betydelig redusert pris.
Selskapet bak Ion Proton hevder maskinen vil bli den første som kan sekvensere et helt menneskelig genom for under 1000 dollar. Denne prisen har blitt sett på som en magisk grense for rutinemessig bruk av sekvenseringsteknologi i helsetjenesten og mange former for forskning. Ion Torrent har skarp konkurranse fra andre selskaper som Illumina, 454 Life Sciences (Roche), Complete Genomics og Applied Biosystems (også en divisjon i Life Technologies) om å bli den første til å sprenge denne grensen.
Revolusjonerende teknologi
Hittil har nesten alle sekvenseringsteknologier benyttet en form for lysbasert registrering av basene i arvestoffet (DNA). Ion Torrent-teknologien benytter derimot registrering av positivt ladede hydrogenatomer (protoner) i stedet for fotoner.
Medarbeidere ved Ion Torrent publiserte i fjor en artikkel i tidsskriftet Nature som viste at direkte registrering av DNA ved hjelp av frigitte protoner kunne brukes til genomsekvensering. Artikkelen ble blant annet kritisert for utilstrekkelig rapportering av sekvenseringens nøyaktighet. Det ble også påpekt at sammenlignet med konkurrerende teknologier var genomet som ble publisert, av dårlig kvalitet (hver base ble bare sekvensert 10 ganger i gjennomsnitt – det er vanlig med ca. 30 ganger) og hadde en høy pris (ca. 2 millioner dollar). Artikkelen i Nature var likevel bare ment å vise at teknologien virket i prinsippet. Den dramatiske økningen i kapasitet det siste året har vist at det er en teknologi som må tas alvorlig.
Raskere forskning
Fram til nå har sekvenseringsmaskiner med høy kapasitet vært svært dyre og krevende å holde i drift. Slike maskiner har derfor vært forbeholdt store spesialiserte sekvenseringssenter og noen store sykehuslaboratorier. Med en pris på ca. 900 000 kroner er den nye Ion Proton tilgjengelig for mange andre forskningslaboratorier.
Uavhengig av hvilken sekvenseringsteknologi som til slutt blir best, billigst og raskest, vil billige sekvenseringsmaskiner få stor innvirkning på forskning og helsetjenester. I tillegg til at et helt genom kan sekvenseres i løpet av en dag, vil en større utbredelse av sekvenseringsmaskiner raskere frambringe data innen genetisk forskning. Forskning som tidligere var for kostbar eller tok for lang tid å gjennomføre, vil nå bli mulig å utføre. Det er ikke bare forskning på humangenetikk som vil dra fordel av raskere og billigere genomsekvensering, men også grunnforskning som benytter dyre- eller plantemodeller, og annen biologisk forskning.
Genomsekvensering til folket?
Den høye prisen på sekvensering av enkeltpersoners genomer har blitt sett som den største hindringen for rutinemessig anvendelse av genomdata i helsetjenesten. Med en pris på mellom seks og sju tusen kroner vil en genomsekvens ha omtrent samme pris som en MR-bildeundersøkelse og andre rutineundersøkelser i spesialhelsetjenesten. Vi går derfor trolig mot en tid der genomdata vil bli stadig mer brukt til helsehjelp til den enkelte pasient. Likevel vil det nok ta tid før metoder, kapasitet og kostnad for analyse av sekvensdata gjør anvendelse av genomdata rutine i helsetjenesten. Grovt regner man med at analyse av sekvensdata er ti ganger dyrere enn selve sekvenseringen.
I flere år har selskaper som deCODE og 23andMe tilbudt genomundersøkelser til sine kunder. Disse undersøkelsene har vært basert på «stikkprøver» fra mange forskjellige posisjoner i genomet (single nucleotide polymorphisms, SNP). Bestemte kjente variasjoner i disse posisjonene er knyttet til forskjellige sykdommer. Når prisen på sekvensering av et helt genom faller under 6000 kroner, åpner det for at helt vanlige mennesker som er nysgjerrige på sitt eget arvestoff, kan ha råd til å kjøpe sekvensering. Det er ikke dyrere enn en iPad.
Kilder:
• Daniel MacArthur, 2011. How accurate is the new Ion Torrent genome, really? Wired.
• Life Technologies Introduces the Benchtop Ion Proton™ Sequencer; Designed to Decode a Human Genome in One Day for $1,000. Pressemelding fra Life Technologies, 10.1.2012.
• Rothberg et al, 2011. An integrated semiconductor device enabling non-optical genome sequencing. Nature.
Ny metode for å lese av DNA-kode: Slik virker det
DNA-molekylet består av to tråder med fire forskjellige baser, som betegnes med bokstavene A, C, G og T. De to trådene henger sammen fordi C og G bestandig binder seg til hverandre parvis, og det samme gjelder A og T. Hver av basetrådene kan derfor også fungere som mal for en ny komplementær basetråd når DNA kopieres. Den nye tråden forlenges med en base av gangen.
Hver gang en ekstra base henges på DNA-molekylet, frigis et proton (H+). Det er dette protonet Ion Torrent-teknologien registrerer. Registreringen skjer i en silisiumbrikke som ligner mikroprosessorene i datamaskiner. Ved hjelp av den samme teknologien som brukes til å produsere mikroprosessorer, etses det inn små brønner som bare er 3 milliontedels meter (3 mm) i diameter, i sekvenseringsbrikkene. I bunnen av hver brønn er det en sensor som registrerer når et proton frigis fra DNA og endrer surhetsgraden (pH) i brønnen.
I hver av brønnene settes det inn forskjellige biter av DNA-et som skal analyseres, i form av enkelttråder klare til å fungere som mal for en ny komplementær basetråd. Avlesningen av DNA-koden skjer ved at alle brønnene på brikken samtidig oversvømmes av én base om gangen (enten A, C, G eller T), og det registreres i hvilke av brønnene nettopp denne basen blir tatt inn i DNA-molekylet.
Det tar 32 sekunder å registrere én enkelt posisjon på DNA-molekylet ved å oversvømme brikken med alle de fire basene etter tur, og det er mye med tanke på at et menneskes genom inneholder over tre milliarder basepar. Det som gjør denne formen for sekvensering effektiv, er at så mange baser leses av samtidig. På den første sekvenseringsbrikken til Ion Personal Genome Machine fra 2010 var det én million brønner. På de to brikkene som hører til den nye Ion Proton, er det henholdsvis 165 millioner brønner og 600 millioner. Ion Torrent hevder at leselengden i hver brønn vil øke fra 100 basepar i 2010 til ca. 400 basepar ved utgangen av 2012.
Nøyaktigheten til rådataene fra Ion Proton skal være på 99,99 prosent. De fleste avlesningsfeilene kan rettes opp ved hjelp av statistiske metoder.
Se artikkelen slik den sto på trykk i GENialt 1/2012
