Come funziona il sequenziatore protonico ionico

Ion Proton Sequencer ... Questo è un nome formidabile. Ed è uno che potrebbe essere applicato praticamente a qualsiasi tecnologia del fantasmagorico fantascienza. Era quella cosa che usavano per teletrasportare Kirk, Spock, Bones e una sfortunata "camicia rossa" sulla superficie di ogni pianeta sconosciuto? Negativo. Quello era un trasportatore. È una delle invenzioni fallite del Dr. Thaddeus Venture da "The Venture Bros." serie? No, stai pensando al localizzatore metasonico su quello.

Se lo Ion Proton Sequencer fosse un pezzo di finzione, ma non lo è, lo si troverebbe nel laboratorio medico di ogni astronave esplorativa dello spazio profondo; studierebbe nuove forme di vita e scoprirebbe quanti viaggi con il teletrasporto ridurrebbe la doppia elica del tuo DNA a qualcosa che assomigli al palo di un pompiere. Ma ahimè, la macchina è un vero e proprio dispositivo rivoluzionario per la ricerca medica.

È stato il primo di una nuova generazione di sequenziatori in grado di decodificare un intero genoma umano in modo rapido ed economico. Meno il tempo per preparare il campione di DNA, l'elaborazione richiede solo circa un giorno. E la società dice che il test costa circa $ 1.000.

Questi due fattori rendono questa macchina - e quelle dei suoi concorrenti, come Illumina e Pacific Biosciences - un punto di svolta completo per la ricerca medica e il trattamento. Fino a poco tempo, la decodifica genetica era ancora piuttosto rara a causa dei costi e del tempo proibitivi. Potrebbero volerci giorni o settimane solo per leggere le sequenze parziali del DNA. E una decodifica completa del genoma di una persona costava centinaia di migliaia di dollari solo pochi anni fa [fonte: NOVA ].

Di conseguenza, questo tipo di tecnologia era solitamente riservata all'ambiente di laboratorio. A meno che medici o ricercatori non avessero a che fare con un caso medico eccezionale con ramificazioni sulla salute diffuse, tale esame genetico di solito non era pratico.

Uno di quei casi eccezionali si è verificato nel 2011, quando in Germania è scoppiato un nuovo ceppo di E. coli . Mentre gli investigatori erano impegnati a rintracciare la fonte, i ricercatori stavano esaminando la composizione di questo nuovo batterio. Hanno usato un predecessore dello Ion Proton Sequencer chiamato Personal Genome Machine (PGM) Sequencer. È prodotto dalla stessa azienda, Life Technologies, e potrebbe leggere lunghe porzioni del progetto genetico dell'organismo in poche ore anziché in settimane.

I ricercatori sono stati in grado di confrontare quel progetto con E. coli precedentemente decodificato e determinare che avevano a che fare con una nuova variante e comprenderne alcuni tratti, come la tossicità e a quali antibiotici potrebbe resistere. Forti di questi dati, i medici avevano maggiori possibilità di aiutare i pazienti infettati dall'agente patogeno. Alla fine, più di 4.000 persone sono state infettate e 50 casi noti sono stati uccisi da esso [fonte: Organizzazione Mondiale della Sanità ].

Quindi, sappiamo che il sequenziamento genetico è roba potente. È già dimostrato che può aiutare a fermare un focolaio. Impariamo gli sviluppi che hanno reso possibile lo Ion Proton Sequencer e cosa potrebbe fare per la medicina futura.

Contenuti

1. Cosa rende il sequenziatore protonico ionico così speciale?
2. Mettere il protone al lavoro
3. In che modo il sequenziamento del genoma ti gioverà
4. Gli svantaggi del sequenziamento del genoma umano di Everyman
5. Nota dell'autore

Metteremo a tacere la questione del nome. ione. Protone. Sequenziatore. Il nome è fondamentalmente tassonomia aziendale. "Ion" deriva da Ion Torrent, il nome del marchio (di proprietà di Life Technologies) che produce questo dispositivo. "Proton" è il nome del modello di questo prodotto; un po' come chiamare un'auto "Fusion" o "Tribeca", le macchine non funzionano a energia nucleare, né sono costruite in un quartiere alla moda di Manhattan. E "Sequencer", beh, è ​​proprio quello che è la macchina: un sequencer. Lo chiameremo Proton in breve.

Il sistema è stato presentato nel gennaio 2012 e ha attirato immediatamente l'attenzione per le sue affermazioni audaci di fornire sequenze genetiche da $ 1.000 in un solo giorno. Considerando che il genoma umano era stato decodificato nove anni prima, mettere potenzialmente il potere delle informazioni genetiche umane in ogni ospedale è un gigantesco balzo in avanti.

La società ha annunciato che il chip Proton 1 per il suo nuovo sequencer sarebbe stato disponibile entro la metà del 2012 e in grado di gestire lavori di sequenziamento molto più grandi rispetto al suo predecessore, la Personal Genome Machine (PGM). Entro la fine del 2012, Life Technologies ha dichiarato che avrebbe immesso sul mercato il chip Proton II, che potrebbe assumere l'intero genoma umano in un colpo solo.

Dal punto di vista della scalabilità, il Proton è un grande successo. L'intera macchina ha all'incirca le dimensioni di una stampante laser di medie dimensioni che potresti trovare in qualsiasi ufficio e costa circa $ 150.000. È tre volte tanto quanto il PGM, ma è ancora un sacco di capacità sconvolgenti per il tuo dollaro medico, considerando che una risonanza magneticala macchina può costare qualche milione di dollari. Certo, i risultati offerti dalla risonanza magnetica e dal sequenziamento genetico sono le proverbiali mele e arance, ma sono entrambe procedure non invasive che possono consentire ai medici di osservare le condizioni di un paziente con dettagli salvavita. Considerando come la risonanza magnetica sia diventata uno strumento nell'arsenale standard di ogni ospedale, è probabile che i sequenziatori diventeranno il prossimo grande must-have per qualsiasi ospedale di dimensioni ragionevoli nei prossimi due anni. I maggiori fattori limitanti potrebbero rivelarsi essere la ricerca di personale qualificato per eseguire test e interpretare i dati, oltre a ricevere l'approvazione della Food and Drug Administration statunitense per uso medico. Ma di questo ne parleremo dopo.

Come puoi immaginare, le aziende si stanno schierando al fianco di Life Technologies per soddisfare questa domanda. Alcuni giorni prima dell'annuncio del Proton, il concorrente Illumina ha rilasciato il suo sistema comparabile, l'HiSeq 2500 (circa $ 740.000 per l'acquisto di nuovo). Mentre le prime speculazioni suggerivano che il sistema di Illumina potesse fornire letture più pulite in un singolo test, il Proton sembra il vincitore nella battaglia dei cartellini dei prezzi [fonte: Herper ]. In effetti, ora che aziende di scienze biologiche come Life Technologies, Illumina e Pacific Biosciences hanno reso il genoma umano più accessibile, ci sarà probabilmente un'esplosione di sequenziatori a una varietà di fasce di prezzo in competizione per lo spazio di laboratorio tra ricercatori e strutture mediche.

Il Proton può affrontare tutti i tipi di sequenziamento, sia che si tratti di DNA - o RNA- (acido ribonucleico). Life Technologies afferma che la macchina è adatta per il sequenziamento di quanto segue:

Le precedenti tecniche di sequenziamento a bassa risoluzione consentivano ai ricercatori solo di esaminare piccoli tratti di dati genetici. I ricercatori dovevano anche avere già un'idea di cosa stavano cercando di trovare. Con questa nuova generazione di sequencer, sono in grado di acquisire tratti di dati molto più lunghi. Pronto a districare un po'? I due ingredienti più importanti in questo processo saranno i filamenti di DNA e il chip riempito di sensore del sequenziatore.

Prima di poter raccogliere dati, devi preparare il tuo campione, giusto? Ci sono sistemi per questo. Quelli automatizzati. Ad esempio, nel momento in cui abbiamo scritto questo articolo, era possibile acquistare il sistema Ion OneTouch per $ 14.490 per gestire la preparazione del campione in circa quattro ore per il predecessore del Proton, la Personal Genome Machine.

Ora passiamo al chip. Il chip semiconduttore Proton I è riempito con 165 milioni di sensori che funzionano un po' come quelli all'interno di una fotocamera digitale. Sopra i sensori ci sono piccoli pozzetti in cui si trova il DNA del campione. I campioni vengono sabbiati con nucleotidi (i mattoni degli acidi nucleici come il DNA). Se un nucleotide si unisce al campione, viene rilasciato uno ione idrogeno, quindi questi sensori monitorano l'acidità della soluzione per i cambiamenti. Tecnicamente parlando, questo metodo basato sul pH è chiamato Ion Semiconductor Sequencing .

Il chip è dove risiede davvero la potenza della macchina Proton. Il chip Proton II dovrebbe avere 660 milioni di sensori. Tutti quei sensori sono utili se ricordi che 3,1 miliardi di basi costituiscono il genoma umano. Come con le fotocamere digitali , chip più potenti significano risultati più finemente dettagliati e, per i sequenziatori, viste più lunghe del filamento di DNA. Con ogni progresso nei semiconduttori arriva un altro passo avanti nella risoluzione.

Una volta caricato nel Proton, il chip, con tutti i suoi sensori, legge il filamento di DNA mentre il software analizza i dati per il completamento e l'accuratezza, fornendo i dati ai ricercatori.

Secondo Life Technologies, il sensore e il kit di preparazione del campione costano circa $ 1.000 in totale e il Proton è una piccola unità, quindi non è esattamente un maiale di energia.

In un certo senso, il sequenziamento effettivo è la parte facile. La prossima grande area di sviluppo del software sta aiutando ricercatori e medici a vedere e comprendere più facilmente i modelli nel genoma. Dopotutto, il genoma umano contiene più di 20.000 geni [fonte: NOVA ]. Un vero e proprio magazzino di informazioni genetiche che devono essere smistate per poter effettuare qualsiasi riscontro.

Ora che abbiamo una comprensione approssimativa del processo, esploriamo i possibili usi del sequenziamento.

Il DL sul DNA

Facciamo un piccolo viaggio indietro alla Biologia 101. Ogni cellula umana nel corpo contiene DNA. I filamenti di informazioni nel DNA da cellula a cellula sono identici, tuttavia differiranno leggermente grazie solitamente all'espressione genica, piuttosto che a una differenza nella sequenza stessa [fonte: Shaw e Ralston ]. Quelle differenze in cui i geni vengono attivati ​​o disattivati ​​conferiscono alle cellule le loro proprietà di base, ad esempio differenziando le cellule della pelle dalle cellule nervose.

Cominciamo col menzionare che è difficile sopravvalutare l'importanza del sequenziamento del genoma. L'abbiamo già visto sbloccare un nuovo batterio killer. Quindi cos'altro può fare? Ebbene, dal momento che il DNA è il codice sorgente di tutta la vita sul nostro pianeta, avere la capacità di leggere quei piccoli e criptici filamenti di informazioni aiuterà ricercatori e medici a capire il fondamento stesso delle malattie.

Prendi ad esempio il cancro. Per tutto il giorno, le cellule si riproducono nei nostri corpi, usando le informazioni genetiche nel loro DNA. Il cancro si verifica quando alcune di queste informazioni vengono copiate in modo errato, producendo cellule di un tipo diverso. Essere in grado di leggere quelle cellule ci aiuta a capire, a un livello molto più profondo, i tipi di cancro con cui un paziente potrebbe avere a che fare e può identificare la predisposizione genetica al cancro. Può anche aiutare i medici a individuare i punti deboli all'interno di diversi tipi di cancro per creare nuovi trattamenti.

La trascrizione del genoma può anche essere utilizzata a beneficio di pazienti altrimenti sani in modo preventivo. Tanti problemi di salute hanno le loro radici nei nostri geni . Ad esempio, alcune famiglie possono avere tendenze verso le malattie cardiache, il diabete o persino l'alcolismo. Utilizzando un software specializzato che legge i modelli nelle sequenze geniche, i medici potrebbero avvertire i pazienti delle loro aree vulnerabili.

Questo non vuol dire che il sequenziamento del genoma possa prevedere che un dato paziente avrà un infarto o diventerà un alcolizzato, ma può avvertire quella persona se è a maggior rischio. Quindi, possono prendere decisioni informate per affrontare quel rischio prima che diventi un'emergenza medica. Lo stesso potrebbe essere fatto per tutto, dal morbo di Alzheimer ai problemi di densità ossea.

È logico che, un giorno, la maggior parte delle persone potrebbe avere una mappa del proprio genoma personale salvata da qualche parte all'interno della propria cartella clinica elettronica. Dopotutto, le condizioni di salute andranno e verranno, ma il DNA è un progetto per tutta la vita. Quando si verificano queste condizioni di salute, il DNA può essere controllato per offrire ai medici una comprensione più profonda dei loro pazienti. Ecco perché questi strumenti di sequenziamento alla fine inizieranno a migrare fuori dai laboratori e nelle cliniche degli ospedali.

Quel momento non è ancora arrivato. In effetti, anche se è sul mercato, il tuo medico non ha potuto ordinare una lettura del tuo genoma dal Proton o da nessuno degli altri sistemi di prossima generazione sul mercato a partire da luglio 2012. Continua a leggere e scopri perché.

Con questa tecnologia rivoluzionaria che svela i misteri dei nostri geni a un ritmo così rapido, va notato che tutti i materiali pubblicitari di Life Technologies per il lancio di nuovi prodotti contenevano la stessa affermazione sepolta da qualche parte all'interno. Dicono che "questi prodotti sono solo per uso di ricerca e non sono destinati ad alcun uso terapeutico o diagnostico animale o umano". Questo è il modo in cui i produttori dicono che puoi usare queste macchine per studiare qualsiasi malattia o il genoma umano. Semplicemente non puoi studiare il genoma di una persona specifica per aiutarla a prendere decisioni sul trattamento sanitario.

Poiché si tratta di una tecnologia così nuova, la Food and Drug Administration (FDA) statunitense deve rivedere e approvare tutte queste macchine di sequenziamento di nuova generazione prima che vengano lasciate libere sui pazienti.

Nell'estate del 2011, la FDA ha convocato un gruppo di produttori ed esperti per discutere le questioni relative a questo tipo di sequenziatori. Sebbene tutti siano d'accordo sul fatto che siano uno strumento potente, molte domande devono essere affrontate prima che possano elaborare le informazioni genetiche umane ai fini del processo decisionale clinico. Variano dal modo in cui il campione viene estratto per garantire che sia pulito al modo in cui il software emette e interpreta i suoi dati.

Con molti produttori che affrontano lo stesso problema da diverse angolazioni, la FDA ha stabilito che è necessario escogitare un sistema per convalidare nuovi sequenziatori prima che siano approvati per l'uso clinico. L'agenzia vuole dare ai medici la certezza che i sistemi possono garantire un certo livello di accuratezza. Il problema con questa proposta deriva dall'ideazione di un test standardizzato per i sequenziatori. Sarebbe l'ideale se la FDA avesse una serie di cellule viventi che erano già state sequenziate e le utilizzasse come banco di prova. Il problema è che le cellule tenderanno a mutare nel tempo, quindi ottenere quel campo standardizzato sarà difficile [fonte: FDA ].

Detto questo, a seconda del tempo necessario per essere approvato, il Proton potrebbe entrare nella storia della medicina come il primo sequenziatore a raggiungere all'incirca il magico segno di $ 1.000 per genoma umano, ma potrebbe già essere sostituito dal round successivo di macchine prima ancora che abbia la possibilità di aiutare direttamente i pazienti. Nel frattempo, avrà senza dubbio un impatto sulla comunità di ricerca consentendo test più rapidi ed economici su qualsiasi cosa, dai tumori alle foglie degli alberi.

Adoro vantarmi con i miei amici dei titoli dei miei incarichi per . Ma il modo in cui lo Ion Proton Sequencer funziona a pieno regime prende il nastro blu esclusivamente dal fattore WTH. "Te lo stai inventando. Qualunque cosa tu abbia appena detto non esiste", è stata probabilmente la migliore risposta che ho sentito.

Sono argomenti come il Proton che rendono così divertente scrivere per questo sito. Il Proton e i suoi simili rappresentano un passo da gigante nella tecnologia genetica. L'analogia più vicina è forse con i computer alla fine degli anni '70 e '80. Non appena sono diventati così convenienti che le famiglie medie potevano possederli, improvvisamente tutti hanno iniziato a comprare i computer. Per quanto riguarda i laboratori, il Proton è l'Apple MacIntosh della tecnologia genetica; compatto, facile da usare, una presenza rivoluzionaria nel mercato e racchiude un intero laboratorio di analisi in una piccola scatola.

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Fonti