Wie der Ion Proton Sequencer funktioniert

Ion Proton Sequencer ... Nun, das ist ein beeindruckender Name. Und es ist eines, das auf so ziemlich jede Technologie des phantasmagorischen Science-Fiction-Films angewendet werden könnte. War es das Ding, mit dem sie Kirk, Spock, Bones und ein glückloses "Red Shirt" auf die Oberfläche jedes unbekannten Planeten beamten? Negativ. Das war ein Transporter. Ist es eine der gescheiterten Erfindungen von Dr. Thaddeus Venture aus "The Venture Bros." Serie? Nein, da denkst du an den metasonic locator.

Wenn der Ion Proton Sequencer ein Stück Fiktion wäre – was er nicht ist – würde er im medizinischen Labor jedes Deep-Space-Erkundungsraumschiffs gefunden werden; Es würde neue Lebensformen untersuchen und herausfinden, wie viele Fahrten mit dem Transporter die Doppelhelix Ihrer DNA zu etwas reduzieren würden, das wie eine Feuerwehrstange aussieht. Aber leider ist die Maschine ein echtes und revolutionäres medizinisches Forschungsgerät.

Es war das erste einer neuen Generation von Sequenzierern, die ein komplettes menschliches Genom schnell und kostengünstig entschlüsseln können. Abzüglich der Vorbereitungszeit der DNA-Probe dauert die Verarbeitung nur etwa einen Tag. Und das Unternehmen sagt, dass der Test etwa 1.000 US-Dollar kostet.

Diese beiden Faktoren machen diese Maschine – und die ihrer Konkurrenten wie Illumina und Pacific Biosciences – zu einem kompletten Wendepunkt für die medizinische Forschung und Behandlung. Bis vor kurzem war die genetische Entschlüsselung aufgrund des unerschwinglichen Kosten- und Zeitaufwands noch eher selten. Es kann Tage oder Wochen dauern, nur um partielle DNA-Sequenzen zu lesen. Und eine vollständige Entschlüsselung des Genoms einer Person kostete noch vor wenigen Jahren Hunderttausende von Dollar [Quelle: NOVA ].

Infolgedessen war diese Art von Technologie normalerweise der Laborumgebung vorbehalten. Sofern Ärzte oder Forscher sich nicht mit einem herausragenden medizinischen Fall mit weitreichenden gesundheitlichen Auswirkungen befassten, war eine solche genetische Untersuchung normalerweise nicht praktikabel.

Einer dieser herausragenden Fälle ereignete sich 2011, als in Deutschland ein neuer Stamm von E. coli ausbrach. Während die Ermittler damit beschäftigt waren, die Quelle aufzuspüren, untersuchten die Forscher die Zusammensetzung dieses neuen Bakteriums. Sie verwendeten einen Vorgänger des Ion Proton Sequencer namens Personal Genome Machine (PGM) Sequencer. Es wird von derselben Firma, Life Technologies, hergestellt und könnte lange Teile des genetischen Bauplans des Organismus in Stunden statt in Wochen lesen.

Die Forscher konnten diesen Bauplan mit zuvor entschlüsselten E. coli vergleichen und feststellen, dass sie es mit einer neuen Variante zu tun hatten, und einige ihrer Merkmale verstehen, wie z. B. Toxizität und welche Antibiotika sie möglicherweise widerstehen. Ausgestattet mit diesen Daten hatten Ärzte eine bessere Chance, Patienten zu helfen, die mit dem Erreger infiziert waren. Letztendlich wurden mehr als 4.000 Menschen infiziert und 50 bekannte Fälle wurden dadurch getötet [Quelle: Weltgesundheitsorganisation ].

Wir wissen also, dass die genetische Sequenzierung ein mächtiges Zeug ist. Es ist bereits bewiesen, dass es helfen kann, einen Ausbruch zu stoppen. Lassen Sie uns etwas über die Entwicklungen erfahren, die den Ion Proton Sequencer möglich gemacht haben, und was er für die Medizin der Zukunft leisten könnte.

Inhalt

1. Was macht den Ion Proton Sequencer so besonders?
2. Das Proton zum Laufen bringen
3. Wie Sie von der Genomsequenzierung profitieren
4. Die Nachteile der menschlichen Genomsequenzierung für Jedermann
5. Anmerkung des Verfassers

Wir werden die Sache mit dem Namen beenden. Ion. Proton. Sequenzer. Der Name ist im Grunde Unternehmenstaxonomie. „Ion“ kommt von Ion Torrent, dem Namen der Marke (im Besitz von Life Technologies), die dieses Gerät herstellt. „Proton“ ist der Modellname dieses Produkts; Es ist so, als würde man ein Auto "Fusion" oder "Tribeca" nennen, die Autos werden weder mit Atomkraft betrieben, noch werden sie in einem trendigen Viertel von Manhattan gebaut. Und "Sequencer", nun, das ist genau das, was die Maschine ist – ein Sequenzer. Wir nennen es kurz das Proton.

Das System wurde im Januar 2012 vorgestellt und erregte sofort Aufmerksamkeit für seine kühnen Behauptungen, genetische Sequenzen im Wert von 1.000 US-Dollar an einem einzigen Tag zu liefern. Wenn man bedenkt, dass das menschliche Genom neun Jahre zuvor entschlüsselt worden war, ist es ein riesiger Schritt nach vorne, die Macht menschlicher genetischer Informationen möglicherweise in jedes Krankenhaus zu bringen.

Das Unternehmen kündigte an, dass der Proton 1-Chip für seinen neuen Sequenzer Mitte 2012 verfügbar sein und viel größere Sequenzierungsaufträge bewältigen kann als sein Vorgänger, die Personal Genome Machine (PGM). Bis Ende 2012 will Life Technologies den Proton-II-Chip auf den Markt bringen, der es mit dem gesamten menschlichen Genom auf einen Schlag aufnehmen könnte.

Aus Sicht der Skalierbarkeit ist der Proton ein Volltreffer. Die gesamte Maschine hat ungefähr die Größe eines mittelgroßen Laserdruckers, den Sie in jedem Büro finden können, und kostet etwa 150.000 US-Dollar. Das ist dreimal so viel wie das PGM, aber das ist immer noch eine Menge weltbewegender Fähigkeiten für Ihren medizinischen Dollar, wenn man bedenkt, dass es sich um ein MRT handeltMaschine kann ein paar Millionen Dollar laufen. Zugegeben, die Ergebnisse von MRT und genetischer Sequenzierung sind die sprichwörtlichen Äpfel und Birnen, aber beides sind nicht-invasive Verfahren, die es Ärzten ermöglichen, den Zustand eines Patienten mit lebensrettenden Details zu beobachten. Wenn man bedenkt, wie sich MRTs zu einem Werkzeug im Standardarsenal jedes Krankenhauses entwickelt haben, ist es wahrscheinlich, dass Sequenzer in den nächsten Jahren zum nächsten großen Muss für jedes Krankenhaus angemessener Größe werden. Die größten einschränkenden Faktoren könnten sich darin erweisen, geschultes Personal zu finden, um Tests durchzuführen und Daten zu interpretieren, sowie die Zulassung der US-amerikanischen Food and Drug Administration für medizinische Zwecke zu erhalten. Aber darüber reden wir später.

Wie Sie sich vorstellen können, stehen Unternehmen neben Life Technologies Schlange, um diese Nachfrage zu befriedigen. Tage vor der Ankündigung des Proton veröffentlichte der Konkurrent Illumina sein vergleichbares System, das HiSeq 2500 (ca. 740.000 US-Dollar Neukauf). Während frühe Spekulationen darauf hindeuteten, dass das System von Illumina bei einem einzigen Test sauberere Leseergebnisse liefern könnte, scheint das Proton der Gewinner im Kampf der Preisschilder zu sein [Quelle: Herper ]. Nachdem Life-Science-Unternehmen wie Life Technologies, Illumina und Pacific Biosciences das menschliche Genom zugänglicher gemacht haben, wird es wahrscheinlich eine Explosion von Sequenziergeräten zu unterschiedlichen Preisen geben, die unter Forschern und medizinischen Einrichtungen um Laborflächen konkurrieren.

Das Proton kann alle Arten von Sequenzierungen bewältigen, egal ob es sich um DNA- oder RNA- (Ribonukleinsäuren) handelt. Laut Life Technologies eignet sich die Maschine gut für die Sequenzierung von:

Frühere Sequenzierungstechniken mit niedriger Auflösung ermöglichten es den Forschern nur, kleine Abschnitte genetischer Daten zu untersuchen. Die Forscher mussten auch bereits eine Vorstellung davon haben, was sie zu finden versuchten. Mit dieser neueren Generation von Sequenzern können sie viel längere Datenstrecken erfassen. Bereit, etwas zu entwirren? Die beiden wichtigsten Zutaten in diesem Prozess werden die DNA-Stränge und der mit Sensoren gefüllte Chip des Sequenzers sein.

Bevor Sie Daten sammeln können, müssen Sie Ihre Probe vorbereiten, richtig? Dafür gibt es Systeme. Automatisierte. Als wir diesen Artikel schrieben, konnten Sie beispielsweise das Ion OneTouch System für 14.490 $ kaufen, um die Probenvorbereitung in ungefähr vier Stunden für den Vorgänger des Proton, die Personal Genome Machine, zu bewältigen.

Jetzt kommen wir zum Chip. Der Proton-I-Halbleiterchip ist mit 165 Millionen Sensoren gefüllt, die ein wenig wie die in einer Digitalkamera funktionieren. Über den Sensoren befinden sich winzige Vertiefungen, in denen sich die Proben-DNA befindet. Die Proben werden mit Nukleotiden (den Bausteinen von Nukleinsäuren wie DNA) gesprengt. Wenn sich ein Nukleotid mit der Probe verbindet, wird ein Wasserstoffion freigesetzt, sodass diese Sensoren den Säuregehalt der Lösung auf Änderungen überwachen. Technisch gesehen heißt diese pH-basierte Methode Ion Semiconductor Sequencing .

Der Chip ist der Ort, an dem die Leistung der Proton-Maschine wirklich liegt. Der Proton-II-Chip soll 660 Millionen Sensoren haben. All diese Sensoren sind ziemlich praktisch, wenn man bedenkt, dass das menschliche Genom aus 3,1 Milliarden Basen besteht. Wie bei Digitalkameras bedeuten stärkere Chips feiner detaillierte Ergebnisse und für Sequenzierer längere Ansichten des DNA-Strangs. Mit jedem Fortschritt bei Halbleitern kommt ein weiterer Schritt in der Auflösung.

Nach dem Laden in das Proton liest der Chip mit all seinen Sensoren den DNA-Strang, während die Software die Daten auf Vollständigkeit und Genauigkeit analysiert und die Daten an die Forscher liefert.

Laut Life Technologies kosten der Sensor und das Probenvorbereitungskit insgesamt etwa 1.000 US-Dollar, und der Proton ist eine kleine Einheit, also nicht gerade ein Energiefresser.

In gewisser Weise ist die eigentliche Sequenzierung der einfache Teil. Der nächste große Bereich der Entwicklung von Software besteht darin, Forschern und Ärzten dabei zu helfen, Muster im Genom leichter zu erkennen und zu verstehen. Immerhin enthält das menschliche Genom mehr als 20.000 Gene [Quelle: NOVA ]. Ein wahres Lager an genetischen Informationen, die sortiert werden müssen, um irgendwelche Erkenntnisse zu gewinnen.

Nachdem wir nun ein grobes Verständnis des Prozesses haben, wollen wir die möglichen Verwendungen für die Sequenzierung untersuchen.

Die DL auf DNA

Lassen Sie uns einen kleinen Ausflug zurück zu Biologie 101 machen. Jede menschliche Zelle im Körper enthält DNA. Die Informationsstränge in der DNA von Zelle zu Zelle sind identisch, unterscheiden sich jedoch leicht, normalerweise aufgrund der Genexpression, und nicht aufgrund eines Unterschieds in der Sequenz selbst [Quelle: Shaw und Ralston ]. Diese Unterschiede, bei denen Gene ein- oder ausgeschaltet werden, verleihen Zellen ihre grundlegenden Eigenschaften, zum Beispiel die Unterscheidung zwischen Hautzellen und Nervenzellen.

Lassen Sie uns zunächst erwähnen, dass es schwierig ist, die Bedeutung der Genomsequenzierung zu überschätzen. Wir haben bereits gesehen, wie es ein neues Killerbakterium freisetzt. Was kann es also noch? Nun, da die DNA der Quellcode für alles Leben auf unserem Planeten ist, wird die Fähigkeit, diese kryptischen kleinen Informationsstränge zu lesen, Forschern und Ärzten helfen, die eigentliche Grundlage von Krankheiten zu verstehen.

Nehmen wir zum Beispiel Krebs. Den ganzen Tag über reproduzieren sich Zellen in unserem Körper, indem sie diese genetischen Informationen in ihrer DNA verwenden. Krebs tritt auf, wenn einige dieser Informationen falsch kopiert werden und Zellen einer anderen Art produzieren. In der Lage zu sein, diese Zellen zu lesen, hilft uns, die Krebsarten, mit denen ein Patient möglicherweise zu tun hat, auf einer viel tieferen Ebene zu verstehen, und kann die genetische Veranlagung für Krebs identifizieren. Es kann Ärzten auch dabei helfen, Schwachstellen bei verschiedenen Krebsarten zu lokalisieren, um neue Behandlungen zu entwickeln.

Die Genomtranskription kann auch präventiv zum Nutzen ansonsten gesunder Patienten eingesetzt werden. So viele Gesundheitsprobleme haben ihre Wurzeln in unseren Genen . Zum Beispiel können einige Familien Neigungen zu Herzkrankheiten, Diabetes oder sogar Alkoholismus haben. Mithilfe einer speziellen Software, die Muster in Gensequenzen liest, könnten Ärzte Patienten vor ihren gefährdeten Bereichen warnen.

Das heißt nicht, dass die Genomsequenzierung vorhersagen kann, dass ein bestimmter Patient einen Herzinfarkt erleiden oder Alkoholiker werden wird, aber es kann diese Person warnen, wenn sie oder er einem höheren Risiko ausgesetzt ist. Dann können sie fundierte Entscheidungen treffen, um dieses Risiko anzugehen, bevor es zu einem medizinischen Notfall wird. Dasselbe könnte für alles getan werden, von der Alzheimer-Krankheit bis hin zu Problemen mit der Knochendichte.

Es liegt nahe, dass die meisten Menschen eines Tages eine Karte ihres persönlichen Genoms irgendwo in ihrer elektronischen Krankenakte speichern könnten. Schließlich werden Gesundheitsprobleme kommen und gehen, aber die DNA ist ein lebenslanger Bauplan. Wenn diese Gesundheitszustände auftreten, kann DNA überprüft werden, um Ärzten ein tieferes Verständnis ihrer Patienten zu ermöglichen. Aus diesem Grund werden diese Sequenzierungstools irgendwann aus den Labors in die Kliniken der Krankenhäuser migrieren.

Dieser Moment ist noch nicht gekommen. Tatsächlich konnte Ihr Arzt, obwohl es auf dem Markt ist, seit Juli 2012 keine Ablesung Ihres Genoms mit dem Proton oder einem der anderen Systeme der nächsten Generation auf dem Markt anordnen. Lesen Sie weiter und finden Sie heraus, warum.

Da diese revolutionäre Technologie die Geheimnisse unserer Gene in einem so schnellen Tempo enträtselt, muss beachtet werden, dass alle Werbematerialien von Life Technologies für neue Produkteinführungen die gleiche Aussage enthalten, die irgendwo darin vergraben ist. Sie sagen, dass "diese Produkte nur für Forschungszwecke bestimmt sind und nicht für therapeutische oder diagnostische Zwecke bei Tieren oder Menschen." Damit sagen die Macher, dass man mit diesen Maschinen jede Krankheit oder das menschliche Genom untersuchen kann. Sie können das Genom einer bestimmten Person einfach nicht untersuchen, um ihr zu helfen, Entscheidungen über ihre Gesundheitsbehandlung zu treffen.

Da es sich um eine so neue Technologie handelt, muss die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) alle diese Sequenziermaschinen der nächsten Generation überprüfen und genehmigen, bevor sie auf Patienten losgelassen werden.

Im Sommer 2011 berief die FDA ein Gremium aus Herstellern und Experten ein, um die Fragen rund um diese Art von Sequenzern zu diskutieren. Obwohl sich alle darin einig waren, dass sie ein mächtiges Werkzeug sind, müssen viele Fragen geklärt werden, bevor sie menschliche genetische Informationen zum Zweck der klinischen Entscheidungsfindung verarbeiten dürfen. Sie reichen von der Extraktion der Probe, um sicherzustellen, dass sie sauber ist, bis hin zur Ausgabe und Interpretation der Daten durch die Software.

Da viele Hersteller dasselbe Problem aus unterschiedlichen Blickwinkeln angehen, hat die FDA festgestellt, dass sie ein System zur Validierung neuer Sequenzer entwickeln muss, bevor sie für den klinischen Einsatz zugelassen werden. Die Agentur will Ärzten die Gewissheit geben, dass die Systeme eine gewisse Genauigkeit garantieren können. Das Problem bei diesem Vorschlag liegt in der Entwicklung eines standardisierten Tests für Sequenzierer. Es wäre ideal, wenn die FDA einen Satz lebender Zellen hätte, die bereits sequenziert wurden, und sie als Testbett verwenden würde. Das Problem ist, dass Zellen dazu neigen, im Laufe der Zeit zu mutieren, so dass es schwierig sein wird, dieses standardisierte Feld zu bekommen [Quelle: FDA ].

Je nachdem, wie lange es bis zur Zulassung dauert, könnte der Proton jedoch als erster Sequenzer in die Medizingeschichte eingehen, der ungefähr die magische Marke von 1.000 US-Dollar pro menschlichem Genom erreicht hat, aber er könnte bereits in der nächsten Runde ersetzt werden von Maschinen, bevor sie überhaupt eine Chance haben, Patienten direkt zu helfen. In der Zwischenzeit wird es zweifellos einen Einfluss auf die Forschungsgemeinschaft haben, indem es schnellere und billigere Tests für alles von Tumoren bis zu Baumblättern ermöglicht.

Ich liebe es, vor meinen Freunden mit den Titeln meiner Aufgaben für zu prahlen. Aber wie der Ion Proton Sequencer auf Hochtouren arbeitet, nimmt das blaue Band rein auf den WTH-Faktor. „Das erfindest du. Was du gerade gesagt hast, existiert nicht“, war wahrscheinlich die beste Antwort, die ich hörte.

Es sind Themen wie der Proton, die das Schreiben für diese Seite so unterhaltsam machen. Das Proton und seine Kollegen repräsentieren einen riesigen Sprung in der Gentechnologie. Die engste Analogie sind vielleicht Computer in den späten 1970er und 1980er Jahren. Sobald sie so erschwinglich wurden, dass durchschnittliche Familien sie besitzen konnten, fingen plötzlich alle an, Computer zu bekommen. Für Labore ist der Proton der Apple MacIntosh der Gentechnik; kompakt, einfach zu bedienen, eine revolutionäre Präsenz auf dem Markt, und es packt ein ganzes Labor an Analytik in eine winzige Box.

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Quellen