Etapa genomului uman de 100$ este deja o realitate. Care sunt noile tehnologii de secvențiere ce ar putea revoluționa medicina?
Secvențierea ADN-ului este esențială în domeniul medicinei nu doar pentru cercetare, ci și pentru multiple aplicații practice, în prevenție, diagnostic, tratament. În contextul pandemiei COVID-19, a devenit evident modul în care secvențierea genomică a revoluționat și domenii precum epidemiologia şi sănătatea publică. Costurile asociate secvențierii genomice sunt în scădere, ceea ce ar putea determina o creştere a accesibilităţii acestei metode şi aplicarea sa tot mai frecventă. Noi date prezentate în cadrul evenimentului Advances in Genome Biology and Technology, desfășurat recent în SUA arată că este deja posibilă secvențierea genomului uman pentru doar 100$.
Dacă prin metoda tradiţională de secvenţiere Sanger puteau fi procesate pe zi doar 1000 de perechi de baze azotate din cele peste 3 miliarde de nucleotide ale genomului uman, platformele de secvenţiere utilizate în prezent pot analiza până la 1000 de perechi de baze pe secundă, scăzând totodată şi preţul de obţinere a unui genom uman sub 1500$, după 2015. În urmă cu un deceniu, costul unui genom uman era de 50000$.
În ultimii ani, piața secvențiatoarelor a fost dominată de compania Illumina (80% din piaţa mondială). Tehnologia de secvenţiere care este utilizată de Illumina presupune denaturarea ADN-ului şi spargerea moleculelor în lanţuri polinucleotidice mai mici. Aceste fragmente sunt montate pe suprafaţa unei camere de flux. Pe baza fiecărui fragment de ADN se formează catena complementară, prin adăugarea rând pe rând a unei baze azotate care a fost marcată fluorescent. Anul acesta, patentele care protejează tehnologia Illumina vor expira, ceea ce va permite companiilor din domeniu să producă şi să vândă platformele de secvenţiere pe care le-au dezvoltat pe baza acestei metode.
O companie înființată recent, Ultima Genomics, a lansat în cadrul întrunirii Advances in Genome Biology and Technology ideea obţinerii secvenţei unui genom uman la un preţ foarte scăzut, de 100$, cu ajutorul platformei UG100. Alte companii au promis, de asemenea, producţia şi punerea pe piaţă a unor secvenţiatoare care utilizeată metode rapide şi la fel de ieftine. Costul de 100$ menţionat de Ultima Genomics include strict reactivii pentru secvenţiere, nu şi manopera, paşii care preced şi urmează secvenţierea propriu-zisă, preţul aparatului.
Tehnologia dezvoltată de Ultima Genomics analizează, de asemenea, fragmente de ADN, dar presupune împrăştierea unor bile încărcate cu molecule de ADN pe un wafer de silicon rotund. Waferul este stropit cu baze azotate şi alţi reactivi, care se împărştie în strat subţire şi uniform pe suprafaţa acestuia, prin rotire. Prin această metodă este scăzut necesarul de reactivi, care presupun costuri ridicate. Această metodă de secvenţiere este diferită şi din punct de vedere chimic. Doar câteva dintre bazele azotate sunt marcate fluorescent, ceea ce reduce suplimentar costurile, şi lipsesc bazele care blochează elongarea catenei de ADN, ceea ce creşte viteza secvenţierii.
Patru lucrări aflate în stadiul de preprint, care demonstrează performanţa tehnologiei, au fost postate în mai 2022 pe platforma bioRxiv. În unul dintre aceste studii, compania Ultima Genomics, alături de Broad Institute of MIT and Harvard, a utilizat aceste secvenţiatoare inovatoare pentru a descifra secvenţa nucleotidică a 224 de genomuri umane care au fost secvenţiate anterior cu ajutorul altor platforme. Rezultatele obţinute au fost similare.
Celelalte 3 studii s-au focusat pe analiza unicelulară prin această metodă, studiul celulelor individuale fiind limitat până în prezent de costurile ridicate. Cu ajutorul tehnologiei Ultima Genomics, pot fi identificate genele care se exprimă, efectele mutaţiilor şi modificările epigenetice. Astfel, au putut fi secvenţiate multiple celule individuale care alcătuiesc o tumoră malignă a colonului, pentru a identifica modul în care metilarea ADN-ului se modifică pe măsură ce cancerul de colon se dezvoltă. Metoda a putut fi utilizată şi pentru a indentifica genele active în celule sanguine mononucleate individuale cu ajutorul transcriptelor ARN. Aceste gene au fost identificate cu aceeaşi precizie ca plaforma Illumina. Totate aceste rezultate au fost, însă, obţinute cu un cost mult mai scăzut.
Există totuşi limite ale acestei tehnologii. Una dintre cele mai active gene din celulele mononucleate din sânge nu a fost întotdeauna identificată, rata erorilor fiind ridicată. Acest rezultat a fost cauzat de faptul că această genă cuprinde în structura sa nucleotidică o bază azotată repetată de 8 ori. Tehnologia de secvenţiere dezvoltată de Ultima Genomics poate avea erori chiar şi atunci când o bază se repetă de doar 3 ori. Genomul uman este alcătuit din peste 1,4 milioane de secvenţe în care se repetă aceeaşi bază azotată. Totuşi, pentru anumite aplicaţii, nu este nevoie de o secvenţă perfectă.
Compania chineză MGI (BGI) va începe să livreze secvenţiatoare în SUA din vara aceasta, preţul unei secvenţieri per genom fiind estimat tot la 100$. Tehnologia de secvenţiere MGI se aseamănă cu cea dezvoltată de Illumina, dar creşte acurateţea prin adăugarea simultană a tuturor celor 4 baze azotate, pe măsură ce are loc secvenţierea ADN-ului. Pentru a depista bazele azotate, sunt utilizaţi anticorpi, care permit o vizualizare mai bună şi sunt mai puţin scumpi decât markerii fluorescenţi.
Pentru un raport cost-eficienţă optim, aceste noi platforme de secvenţiere ar trebui să aibă o capacitate de secvenţiere simultană a unui număr ridicat de genomuri. Deşi testarea probelor în masă reduce costurile, în mediul clinic, de cele mai multe ori, nu este necesară. Există deja pe piaţă secvenţiatoare care pot să realizeze secvenţierea unui număr redus de probe, la un cost scăzut. Spre exemplu, platforma dezvoltată de Element Biosciences poate secvenţia 3 genomuri umane simultan, la un cost de 560$.
Pe lângă tehnologiile bazate pe utilizarea unor fragmente scurte de ADN, există şi platforme care se focusează pe analiza unor secvenţe mai lungi ale genomului. Companiile Pacific Biosciences şi Oxford Nanopore DNA lucrează de 7 ani la dezvoltarea unor metode pentru a citi secvenţe lungi de nucleotide. Aceste tehnologii au costuri mai ridicate şi o acurateţe limitată, însă sunt îmbunătăţite constant şi vor deveni în curând utilizabile în practică. Cu ajutorul acestei platforme a putut fi realizată cea mai completă versiune a genomului uman de referinţă de către consorţiul Telomere-to-Telomere.
După ani de zile în care a fost lider pe piaţa mondială, compania Illumina se va confrunta cu un nou scenariu. Reprezentanţii Illumina au declarat, la rândul lor, că vor scădea costurile secvenţierii cu plaforma pe care o produc şi au prezentat noi reactivi care vor creşte acurateţea şi flexibilitatea tehnologiei.
Citeşte şi:
- State of Innovation 2021. Medicina genomică: secvențierea completă a genomului uman. Cum se va schimba practica medicală în următorii ani?
- In situ genomic sequencing: prima tehnologie care permite secvențierea genomică direct la nivelul celulelor
- Slide-DNA-seq: o nouă tehnologie care permite analiza modificărilor genomice în raport cu localizarea celulelor la nivelul tumorilor maligne