Comment fonctionne le séquenceur de protons ioniques

Ion Proton Sequencer ... Voilà un nom formidable. Et c'est celui qui pourrait être appliqué à presque n'importe quelle technologie du genre science-fiction fantasmagorique. Était-ce cette chose qu'ils utilisaient pour téléporter Kirk, Spock, Bones et une malheureuse « chemise rouge » à la surface de chaque planète inconnue ? Négatif. C'était un transporteur. Est-ce l'une des inventions ratées du Dr Thaddeus Venture de "The Venture Bros." séries? Non, vous pensez au localisateur métasonique sur celui-là.

Si le séquenceur de protons ioniques était une pièce de fiction - ce qui n'est pas le cas - il se trouverait dans le laboratoire médical de chaque vaisseau spatial d'exploration de l'espace lointain ; il étudierait de nouvelles formes de vie et déterminerait combien de voyages sur le transporteur réduiraient la double hélice de votre ADN à quelque chose qui ressemble à un poteau de pompier. Mais hélas, la machine est un véritable appareil de recherche médicale révolutionnaire.

C'était le premier d'une nouvelle génération de séquenceurs capables de décoder un génome humain entier rapidement et à peu de frais. Moins le temps de préparation de l'échantillon d'ADN, le traitement ne prend qu'environ une journée. Et la société affirme que le test coûte environ 1 000 $.

Ces deux facteurs font de cette machine - et de celles de ses concurrents, comme Illumina et Pacific Biosciences - un changeur de jeu complet pour la recherche et le traitement médicaux. Jusqu'à récemment, le décodage génétique était encore assez rare en raison des coûts et des délais prohibitifs. Cela pourrait prendre des jours ou des semaines juste pour lire des séquences d'ADN partielles. Et un décodage complet du génome d'une personne coûtait des centaines de milliers de dollars il y a quelques années à peine [source : NOVA ].

En conséquence, ce type de technologie était généralement réservé à l'environnement de laboratoire. À moins que les médecins ou les chercheurs ne traitent d'un cas médical exceptionnel avec des ramifications étendues sur la santé, un tel examen génétique n'était généralement pas pratique.

L'un de ces cas en suspens a eu lieu en 2011, lorsqu'une nouvelle souche d' E. coli a éclaté en Allemagne. Pendant que les enquêteurs s'affairaient à retrouver la source, les chercheurs s'intéressaient à la composition de cette nouvelle bactérie. Ils ont utilisé un prédécesseur du séquenceur de protons ioniques appelé le séquenceur Personal Genome Machine (PGM). Il est fabriqué par la même société, Life Technologies, et peut lire de longues portions de l'empreinte génétique de l'organisme en quelques heures au lieu de plusieurs semaines.

Les chercheurs ont pu comparer ce plan avec E. coli précédemment décodé et déterminer qu'ils avaient affaire à une nouvelle variante et comprendre certains de ses traits, tels que la toxicité et les antibiotiques auxquels il pourrait résister. Armés de ces données, les médecins avaient une meilleure chance d'aider les patients infectés par l'agent pathogène. En fin de compte, plus de 4 000 personnes ont été infectées et 50 cas connus en ont été tués [source : Organisation mondiale de la santé ].

Donc, nous savons que le séquençage génétique est une chose puissante. Il est déjà prouvé qu'il peut aider à arrêter une épidémie. Découvrons les développements qui ont rendu possible le séquenceur de protons ioniques et ce qu'il pourrait faire pour la médecine future.

1. Qu'est-ce qui rend le séquenceur de protons ioniques si spécial ?
2. Mettre le proton au travail
3. Comment le séquençage du génome vous sera bénéfique
4. Les inconvénients du séquençage du génome humain d'Everyman
5. Note de l'auteur

Nous allons mettre le nom au repos. Ion. Proton. Séquenceur. Le nom est essentiellement une taxonomie d'entreprise. "Ion" vient de Ion Torrent, le nom de la marque (propriété de Life Technologies) qui fabrique cet appareil. "Proton" est le nom du modèle de ce produit ; un peu comme nommer une voiture "Fusion" ou "Tribeca", les voitures ne fonctionnent pas à l'énergie nucléaire et ne sont pas construites dans un quartier branché de Manhattan. Et "Sequencer", eh bien, c'est exactement ce qu'est la machine -- un séquenceur. Nous l'appellerons le Proton en abrégé.

Le système a été dévoilé en janvier 2012 et a attiré l'attention immédiate pour ses affirmations audacieuses de fournir des séquences génétiques de 1 000 $ en une seule journée. Considérant que le génome humain avait été décodé neuf ans plus tôt, mettre potentiellement la puissance de l'information génétique humaine dans chaque hôpital est un pas de géant en avant.

La société a annoncé que la puce Proton 1 pour son nouveau séquenceur serait disponible d'ici la mi-2012 et capable de gérer des travaux de séquençage beaucoup plus importants que son prédécesseur, la Personal Genome Machine (PGM). Fin 2012, Life Technologies a annoncé qu'elle commercialiserait la puce Proton II, qui pourrait prendre en charge l'intégralité du génome humain en une seule fois.

Du point de vue de l'évolutivité, le Proton est un succès retentissant. L'ensemble de la machine a à peu près la taille d'une imprimante laser de taille moyenne que vous pourriez trouver dans n'importe quel bureau et coûte environ 150 000 $. C'est trois fois plus que le PGM, mais c'est quand même une capacité époustouflante pour votre budget médical, étant donné qu'une IRMmachine peut fonctionner quelques millions de dollars. Certes, les résultats offerts par l'IRM et le séquençage génétique sont les pommes et les oranges proverbiales, mais ce sont deux procédures non invasives qui peuvent permettre aux médecins d'observer l'état d'un patient avec des détails vitaux. Compte tenu de la façon dont les IRM ont décollé pour devenir un outil dans l'arsenal standard de chaque hôpital, il est probable que les séquenceurs deviendront le prochain grand incontournable pour tout hôpital de taille raisonnable dans les deux prochaines années. Les principaux facteurs limitants peuvent s'avérer être de trouver du personnel qualifié pour effectuer des tests et interpréter les données, ainsi que de recevoir l'approbation de la Food and Drug Administration des États-Unis pour un usage médical. Mais nous en reparlerons plus tard.

Comme vous pouvez l'imaginer, les entreprises font la queue aux côtés de Life Technologies pour répondre à cette demande. Quelques jours avant l'annonce du Proton, le concurrent Illumina a sorti son système comparable, le HiSeq 2500 (environ 740 000 $ à acheter neuf). Alors que les premières spéculations suggéraient que le système d'Illumina pourrait fournir des lectures plus nettes sur un seul test, le Proton semble le gagnant dans la bataille des étiquettes de prix [source : Herper ]. En fait, maintenant que des sociétés de sciences de la vie comme Life Technologies, Illumina et Pacific Biosciences ont rendu le génome humain plus accessible, il y aura probablement une explosion de séquenceurs à divers prix en concurrence pour l'espace de laboratoire entre les chercheurs et les installations médicales.

Le Proton peut s'attaquer à toutes sortes de séquençages, qu'ils soient basés sur l' ADN ou l'ARN (acide ribonucléique). Selon Life Technologies, la machine convient parfaitement au séquençage des éléments suivants :

Les techniques de séquençage à basse résolution antérieures permettaient uniquement aux chercheurs d'examiner de petites étendues de données génétiques. Les chercheurs devaient également avoir déjà une idée de ce qu'ils essayaient de trouver. Avec cette nouvelle génération de séquenceurs, ils sont capables de capturer des étendues de données beaucoup plus longues. Prêt à en démêler ? Les deux ingrédients les plus importants de ce processus seront les brins d'ADN et la puce remplie de capteurs du séquenceur.

Avant de pouvoir collecter des données, vous devez préparer votre échantillon, n'est-ce pas ? Il existe des systèmes pour ça. Les automatisés. Par exemple, au moment où nous avons écrit cet article, vous pouviez acheter le système Ion OneTouch pour 14 490 $ pour gérer la préparation des échantillons en environ quatre heures pour le prédécesseur du Proton, la Personal Genome Machine.

Passons maintenant à la puce. La puce semi-conductrice Proton I est remplie de 165 millions de capteurs qui fonctionnent un peu comme ceux d'un appareil photo numérique. Au-dessus des capteurs se trouvent de minuscules puits où se trouve l'échantillon d'ADN. Les échantillons sont sablés avec des nucléotides (les éléments constitutifs des acides nucléiques comme l'ADN). Si un nucléotide rejoint l'échantillon, un ion hydrogène est libéré, de sorte que ces capteurs surveillent l'acidité de la solution pour les changements. Techniquement parlant, cette méthode basée sur le pH s'appelle Ion Semiconductor Sequencing .

La puce est l'endroit où réside vraiment la puissance de la machine Proton. La puce Proton II devrait avoir 660 millions de capteurs. Tous ces capteurs sont plutôt pratiques quand on se rappelle que 3,1 milliards de bases composent le génome humain. Comme pour les appareils photo numériques , des puces plus puissantes signifient des résultats plus détaillés et, pour les séquenceurs, des vues plus longues du brin d'ADN. Chaque progrès dans les semi-conducteurs s'accompagne d'un nouveau pas en avant dans la résolution.

Une fois chargée dans le Proton, la puce, avec tous ses capteurs, lit le brin d'ADN tandis que le logiciel analyse les données pour l'achèvement et la précision, fournissant les données aux chercheurs.

Selon Life Technologies, le capteur et le kit de préparation d'échantillons coûtent environ 1 000 $ au total, et le Proton est une petite unité, donc ce n'est pas exactement un porc énergétique.

D'une certaine manière, le séquençage proprement dit est la partie la plus facile. Le prochain grand domaine de développement des logiciels consiste à aider les chercheurs et les médecins à voir et à comprendre plus facilement les modèles du génome. Après tout, le génome humain contient plus de 20 000 gènes [source : NOVA ]. Un véritable entrepôt d'informations génétiques qu'il faut trier pour faire des découvertes.

Maintenant que nous avons une compréhension approximative du processus, explorons les utilisations possibles du séquençage.

Le DL sur l'ADN

Revenons un peu en Biologie 101. Chaque cellule humaine du corps contient de l'ADN. Les brins d'information dans l'ADN d'une cellule à l'autre sont identiques, mais ils différeront légèrement grâce généralement à l'expression des gènes, plutôt qu'à une différence dans la séquence elle-même [source : Shaw et Ralston ]. Ces différences dans lesquelles les gènes sont activés ou désactivés donnent aux cellules leurs propriétés de base, par exemple, différencier les cellules de la peau des cellules nerveuses.

Commençons par mentionner qu'il est difficile d'exagérer l'importance du séquençage du génome. Nous l'avons déjà vu déverrouiller une nouvelle bactérie tueuse. Alors que peut-il faire d'autre ? Eh bien, puisque l'ADN est le code source de toute vie sur notre planète, avoir la capacité de lire ces petits brins d'information cryptés aidera les chercheurs et les médecins à comprendre le fondement même des maladies.

Prenons par exemple le cancer. Toute la journée, des cellules se reproduisent dans notre corps, en utilisant cette information génétique dans leur ADN. Le cancer survient lorsque certaines de ces informations sont incorrectement copiées, produisant des cellules d'un type différent. Être capable de lire ces cellules nous aide à comprendre, à un niveau beaucoup plus profond, les types de cancer auxquels un patient pourrait être confronté et peut identifier une prédisposition génétique au cancer. Cela peut également aider les médecins à identifier les faiblesses de différents cancers pour créer de nouveaux traitements.

La transcription du génome peut également être utilisée au profit de patients par ailleurs en bonne santé de manière préventive. Tant de problèmes de santé ont leurs racines dans nos gènes . Par exemple, certaines familles peuvent avoir des tendances aux maladies cardiaques, au diabète ou même à l'alcoolisme. À l'aide d'un logiciel spécialisé qui lit les modèles dans les séquences génétiques, les médecins pourraient avertir les patients de leurs zones vulnérables.

Cela ne veut pas dire que le séquençage du génome peut prédire qu'un patient donné aura une crise cardiaque ou deviendra alcoolique, mais il peut avertir cette personne si elle est plus à risque. Ensuite, ils peuvent prendre des décisions éclairées pour faire face à ce risque avant qu'il ne devienne une urgence médicale. La même chose pourrait être faite pour tout, de la maladie d'Alzheimer aux problèmes de densité osseuse.

Il va de soi qu'un jour, la plupart des gens pourraient avoir une carte de leur génome personnel enregistrée quelque part dans leur dossier médical électronique. Après tout, les problèmes de santé vont et viennent, mais l'ADN est un modèle à vie. Au fur et à mesure que ces problèmes de santé surviennent, l'ADN peut être vérifié pour offrir aux médecins une meilleure compréhension de leurs patients. C'est pourquoi ces outils de séquençage finiront par migrer des laboratoires vers les cliniques des hôpitaux.

Ce moment n'est pas encore arrivé. En fait, même s'il est sur le marché, votre médecin n'a pas pu commander une lecture de votre génome à partir du Proton ou de l'un des autres systèmes de nouvelle génération sur le marché à partir de juillet 2012. Continuez à lire et découvrez pourquoi.

Avec cette technologie révolutionnaire démêlant les mystères de nos gènes à un rythme si rapide, il convient de noter que tous les supports publicitaires de Life Technologies pour les lancements de nouveaux produits comportaient la même déclaration enfouie quelque part à l'intérieur. Ils disent que "ces produits sont destinés à la recherche uniquement et ne sont pas destinés à un usage thérapeutique ou diagnostique animal ou humain". C'est la façon dont les fabricants disent que vous pouvez utiliser ces machines pour étudier n'importe quelle maladie ou le génome humain. Vous ne pouvez tout simplement pas étudier le génome d'une personne en particulier dans le seul but de l'aider à prendre des décisions concernant son traitement médical.

Comme il s'agit d'une technologie tellement nouvelle, la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis doit examiner et approuver toutes ces machines de séquençage de nouvelle génération avant qu'elles ne soient livrées aux patients.

À l'été 2011, la FDA a appelé un panel de fabricants et d'experts pour discuter des questions entourant ces types de séquenceurs. Bien que tout le monde s'accorde à dire qu'il s'agit d'un outil puissant, de nombreuses questions doivent être résolues avant qu'ils ne soient autorisés à traiter l'information génétique humaine à des fins de prise de décision clinique. Ils vont de la façon dont l'échantillon est extrait pour s'assurer qu'il est propre à la façon dont le logiciel produit et interprète ses données.

Avec de nombreux fabricants abordant le même problème sous des angles différents, la FDA a déterminé qu'elle devait concevoir un système pour valider les nouveaux séquenceurs avant qu'ils ne soient approuvés pour une utilisation clinique. L'agence veut donner aux médecins l'assurance que les systèmes peuvent garantir un certain niveau de précision. Le problème avec cette proposition vient de la conception d'un test standardisé pour les séquenceurs. Ce serait idéal si la FDA disposait d'un ensemble de cellules vivantes qui avaient déjà été séquencées et les utilisait comme banc d'essai. Le problème est que les cellules auront tendance à muter avec le temps, il sera donc difficile d'obtenir ce champ standardisé [source : FDA ].

Cela étant dit, selon le temps qu'il faut pour être approuvé, le Proton pourrait entrer dans l'histoire médicale en tant que premier séquenceur à atteindre à peu près la barre magique des 1 000 $ par génome humain, mais il pourrait déjà être remplacé par le tour suivant. de machines avant d'avoir la chance d'aider directement les patients. En attendant, cela aura sans aucun doute un impact sur la communauté de la recherche en permettant des tests plus rapides et moins chers sur tout, des tumeurs aux feuilles d'arbres.

J'adore me vanter auprès de mes amis des titres de mes devoirs pour . Mais le fonctionnement du séquenceur de protons ioniques prend le ruban bleu uniquement sur le facteur WTH. "Vous inventez ça. Tout ce que vous venez de dire n'existe pas", a probablement été la meilleure réponse que j'aie entendue.

Ce sont des sujets comme le Proton qui rendent l'écriture pour ce site tellement amusante. Le Proton et ses pairs représentent un pas de géant dans la technologie génétique. L'analogie la plus proche est peut-être celle des ordinateurs de la fin des années 1970 et des années 1980. Dès qu'ils sont devenus si abordables que les familles moyennes pouvaient en posséder, tout le monde a soudainement commencé à se procurer des ordinateurs. En ce qui concerne les laboratoires, le Proton est l'Apple MacIntosh de la technologie génétique ; compact, facile à utiliser, une présence révolutionnaire sur le marché, et il contient tout un laboratoire d'analyses dans une petite boîte.

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Sources