Como funciona o sequenciador de prótons de íons

Sequenciador de Prótons de Íons... Esse é um nome formidável. E é um que poderia ser aplicado a praticamente qualquer tecnologia do tipo fantasmagórico de ficção científica. Foi aquela coisa que eles usaram para transportar Kirk, Spock, Bones e um infeliz "Camisa Vermelha" para a superfície de cada planeta desconhecido? Negativo. Isso era um transportador. É uma das invenções fracassadas do Dr. Thaddeus Venture de "The Venture Bros." Series? Não, você está pensando no localizador metasônico naquele.

Se o Ion Proton Sequencer fosse uma peça de ficção - o que não é - seria encontrado no laboratório médico de todas as naves exploratórias do espaço profundo; ele estudaria novas formas de vida e descobriria quantas viagens no transportador reduziriam a dupla hélice do seu DNA a algo que parece um poste de bombeiro. Mas, infelizmente, a máquina é um dispositivo de pesquisa médica real e revolucionário.

Foi o primeiro de uma nova geração de sequenciadores que podem decodificar todo um genoma humano de forma rápida e barata. Menos o tempo para preparar a amostra de DNA, o processamento leva apenas cerca de um dia. E a empresa diz que o teste custa cerca de US$ 1.000.

Esses dois fatores tornam esta máquina - e as de seus concorrentes, como Illumina e Pacific Biosciences - um divisor de águas completo para pesquisa e tratamento médico. Até recentemente, a decodificação genética ainda era bastante rara devido aos custos proibitivos e ao tempo envolvido. Pode levar dias ou semanas apenas para que as sequências parciais de DNA sejam lidas. E uma decodificação completa do genoma de uma pessoa custava centenas de milhares de dólares há apenas alguns anos [fonte: NOVA ].

Como resultado, esse tipo de tecnologia era geralmente reservado para o ambiente de laboratório. A menos que médicos ou pesquisadores estivessem lidando com um caso médico excepcional com amplas ramificações para a saúde, esse escrutínio genético geralmente não era prático.

Um desses casos excepcionais ocorreu em 2011, quando uma nova cepa de E. coli surgiu na Alemanha. Enquanto os investigadores estavam ocupados rastreando a fonte, os pesquisadores estavam analisando a composição dessa nova bactéria. Eles usaram um antecessor do Ion Proton Sequencer chamado Personal Genome Machine (PGM) Sequencer. É feito pela mesma empresa, Life Technologies, e pode ler longas porções do projeto genético do organismo em horas, em vez de semanas.

Os pesquisadores foram capazes de comparar esse modelo com E. coli previamente decodificada e determinar que eles estavam lidando com uma nova variante e entender algumas de suas características, como toxicidade e quais antibióticos ela pode resistir. Armados com esses dados, os médicos tiveram uma chance melhor de ajudar os pacientes infectados com o patógeno. Por fim, mais de 4.000 pessoas foram infectadas e 50 casos conhecidos foram mortos por ela [fonte: Organização Mundial da Saúde ].

Então, sabemos que o sequenciamento genético é uma coisa poderosa. Já está provado que pode ajudar a parar um surto. Vamos aprender sobre os desenvolvimentos que tornaram possível o Sequenciador de Prótons de Íons e o que ele pode fazer para a medicina futura.

1. O que torna o sequenciador de prótons de íons tão especial?
2. Colocando o próton para funcionar
3. Como o sequenciamento do genoma beneficiará você
4. As desvantagens do sequenciamento do genoma humano de Everyman
5. Nota do autor

Vamos colocar a coisa do nome para descansar. Íon. Próton. Sequenciador. O nome é basicamente taxonomia corporativa. "Ion" vem de Ion Torrent, o nome da marca (de propriedade da Life Technologies) que fabrica este dispositivo. "Proton" é o nome do modelo deste produto; como chamar um carro de "Fusion" ou "Tribeca", os carros não funcionam com energia nuclear, nem são construídos em um bairro badalado de Manhattan. E "Sequencer", bem, isso é exatamente o que a máquina é - um seqüenciador. Vamos chamá-lo de Proton para abreviar.

O sistema foi revelado em janeiro de 2012 e recebeu atenção imediata por suas ousadas alegações de entregar sequências genéticas de US$ 1.000 em um único dia. Considerando que o genoma humano havia sido decodificado nove anos antes, colocar potencialmente o poder da informação genética humana em cada hospital é um salto gigantesco.

A empresa anunciou que o chip Proton 1 para seu novo sequenciador estaria disponível em meados de 2012 e seria capaz de lidar com tarefas de sequenciamento muito maiores do que seu antecessor, o Personal Genome Machine (PGM). Até o final de 2012, a Life Technologies disse que teria o chip Proton II no mercado, que poderia assumir todo o genoma humano de uma só vez.

Do ponto de vista da escalabilidade, o Proton é um sucesso estrondoso. A máquina inteira é aproximadamente do tamanho de uma impressora a laser de tamanho médio que você pode encontrar em qualquer escritório e custa cerca de US$ 150.000. Isso é três vezes mais do que o PGM, mas ainda é muita capacidade de quebrar a terra para o seu dólar médico, considerando que uma ressonância magnéticamáquina pode custar alguns milhões de dólares. É verdade que os resultados oferecidos pela ressonância magnética e sequenciamento genético são as proverbiais maçãs e laranjas, mas ambos são procedimentos não invasivos que podem permitir que os médicos observem a condição de um paciente com detalhes que salvam vidas. Considerando como as ressonâncias magnéticas decolaram para se tornar uma ferramenta no arsenal padrão de todos os hospitais, é provável que os sequenciadores se tornem o próximo grande item obrigatório para qualquer hospital de tamanho razoável nos próximos dois anos. Os maiores fatores limitantes podem vir a ser encontrar pessoal treinado para executar testes e interpretar dados, além de receber a aprovação da Food and Drug Administration dos EUA para uso médico. Mas falaremos sobre isso mais tarde.

Como você pode imaginar, as empresas estão se alinhando ao lado da Life Technologies para atender a essa demanda. Dias antes do Proton ser anunciado, a concorrente Illumina lançou seu sistema comparável, o HiSeq 2500 (cerca de US$ 740.000 para comprar um novo). Embora as primeiras especulações sugerissem que o sistema da Illumina poderia fornecer leituras mais limpas em um único teste, o Proton parece o vencedor na batalha dos preços [fonte: Herper ]. De fato, agora que empresas de ciências da vida como Life Technologies, Illumina e Pacific Biosciences tornaram o genoma humano mais acessível, provavelmente haverá uma explosão de sequenciadores em uma variedade de preços competindo por espaço de laboratório entre pesquisadores e instalações médicas.

O Proton pode lidar com todos os tipos de sequenciamento, seja baseado em DNA - ou RNA (ácido ribonucleico). A Life Technologies diz que a máquina é adequada para sequenciar o seguinte:

Anteriormente, as técnicas de sequenciamento de baixa resolução só permitiam aos pesquisadores examinar pequenos trechos de dados genéticos. Os pesquisadores também precisavam ter uma ideia do que estavam tentando encontrar. Com esta nova geração de sequenciadores, eles são capazes de capturar trechos de dados muito mais longos. Pronto para desembaraçar alguns? Os dois ingredientes mais importantes nesse processo serão as fitas de DNA e o chip cheio de sensores do sequenciador.

Antes de coletar dados, você precisa preparar sua amostra, certo? Existem sistemas para isso. Os automatizados. Por exemplo, na época em que escrevemos este artigo, você poderia comprar o Ion OneTouch System por US$ 14.490 para lidar com a preparação de amostras em aproximadamente quatro horas para o predecessor do Proton, o Personal Genome Machine.

Agora vamos para o chip. O chip semicondutor Proton I é preenchido com 165 milhões de sensores que funcionam um pouco como os de uma câmera digital. Acima dos sensores há pequenos poços onde fica a amostra de DNA. As amostras são explodidas com nucleotídeos (os blocos de construção de ácidos nucleicos como o DNA). Se um nucleotídeo se juntar à amostra, um íon de hidrogênio é liberado, então esses sensores monitoram a acidez da solução quanto a alterações. Tecnicamente falando, esse método baseado em pH é chamado de Ion Semiconductor Sequencing .

O chip é onde realmente reside o poder da máquina Proton. O chip Proton II está programado para ter 660 milhões de sensores. Todos esses sensores são úteis quando você lembra que 3,1 bilhões de bases compõem o genoma humano. Assim como nas câmeras digitais , chips mais fortes significam resultados mais detalhados e, para sequenciadores, visualizações mais longas da fita de DNA. Com cada avanço em semicondutores vem outro passo na resolução.

Uma vez carregado no Proton, o chip, com todos os seus sensores, lê a fita de DNA enquanto o software analisa os dados para conclusão e precisão, entregando os dados aos pesquisadores.

De acordo com a Life Technologies, o sensor e o kit de preparação de amostras custam cerca de US$ 1.000 no total, e o Proton é uma unidade pequena, então não é exatamente um consumidor de energia.

De certa forma, o sequenciamento real é a parte fácil. A próxima grande área de desenvolvimento de software é ajudar pesquisadores e médicos a ver e entender padrões no genoma com mais facilidade. Afinal, o genoma humano contém mais de 20.000 genes [fonte: NOVA ]. Um verdadeiro armazém de informações genéticas que devem ser classificadas para fazer qualquer descoberta.

Agora que temos uma compreensão aproximada do processo, vamos explorar os possíveis usos para o sequenciamento.

O DL sobre DNA

Vamos fazer uma pequena viagem de volta à Biologia 101. Cada célula humana no corpo contém DNA. As cadeias de informação no DNA de célula para célula são idênticas, porém elas irão diferir um pouco normalmente graças à expressão gênica, ao invés de uma diferença na própria sequência [fonte: Shaw e Ralston ]. Essas diferenças nas quais os genes são ativados ou desativados dão às células suas propriedades básicas, por exemplo, diferenciar as células da pele das células nervosas.

Vamos começar mencionando que é difícil exagerar a importância do sequenciamento do genoma. Já o vimos desbloquear uma nova bactéria assassina. Então, o que mais ele pode fazer? Bem, uma vez que o DNA é o código-fonte de toda a vida em nosso planeta, ter a capacidade de ler esses pequenos fios enigmáticos de informação ajudará pesquisadores e médicos a entender o próprio fundamento das doenças.

Tomemos, por exemplo, o câncer. Durante todo o dia, as células estão se reproduzindo em nossos corpos, usando essa informação genética em seu DNA. O câncer ocorre quando algumas dessas informações são copiadas incorretamente, produzindo células de um tipo diferente. Ser capaz de ler essas células nos ajuda a entender, em um nível muito mais profundo, os tipos de câncer com os quais um paciente pode estar lidando e pode identificar a predisposição genética para o câncer. Também pode ajudar os médicos a identificar pontos fracos em diferentes tipos de câncer para criar novos tratamentos.

A transcrição do genoma também pode ser usada para beneficiar pacientes saudáveis ​​de maneira preventiva. Muitos problemas de saúde têm suas raízes em nossos genes . Por exemplo, algumas famílias podem ter tendências a doenças cardíacas, diabetes ou mesmo alcoolismo. Usando software especializado que lê padrões em sequências de genes, os médicos podem alertar os pacientes sobre suas áreas vulneráveis.

Isso não quer dizer que o sequenciamento do genoma possa prever que um determinado paciente terá um ataque cardíaco ou se tornará alcoólatra, mas pode alertar essa pessoa se ela estiver em maior risco. Então, eles podem tomar decisões informadas para lidar com esse risco antes que se torne uma emergência médica. O mesmo pode ser feito para tudo, desde a doença de Alzheimer até problemas de densidade óssea.

É lógico que, um dia, a maioria das pessoas poderá ter um mapa de seu genoma pessoal salvo em algum lugar em seu arquivo médico eletrônico. Afinal, as condições de saúde vêm e vão, mas o DNA é um projeto para toda a vida. À medida que essas condições de saúde surgem, o DNA pode ser verificado para oferecer aos médicos uma compreensão mais profunda de seus pacientes. É por isso que essas ferramentas de sequenciamento acabarão por começar a migrar dos laboratórios para as clínicas dos hospitais.

Esse momento ainda não chegou. Na verdade, mesmo estando no mercado, seu médico não poderia pedir uma leitura de seu genoma do Proton ou de qualquer outro sistema de próxima geração no mercado a partir de julho de 2012. Continue lendo e descubra por quê.

Com essa tecnologia revolucionária desvendando os mistérios de nossos genes em um ritmo tão rápido, deve-se notar que todos os materiais de publicidade da Life Technologies para lançamentos de novos produtos apresentavam a mesma declaração enterrada em algum lugar. Eles dizem que "esses produtos são apenas para uso em pesquisa e não se destinam a qualquer uso terapêutico ou diagnóstico em animais ou humanos". Essa é a maneira dos fabricantes dizerem que você pode usar essas máquinas para estudar qualquer doença ou o genoma humano. Você simplesmente não pode estudar o genoma de uma pessoa específica para ajudá-la a tomar decisões sobre seu tratamento de saúde.

Como essa é uma tecnologia tão nova, a Food and Drug Administration (FDA) dos EUA deve revisar e aprovar todas essas máquinas de sequenciamento de próxima geração antes que sejam liberadas para os pacientes.

No verão de 2011, a FDA convocou um painel de fabricantes e especialistas para discutir as questões relacionadas a esses tipos de sequenciadores. Embora todos concordem que eles são uma ferramenta poderosa, muitas questões precisam ser abordadas antes que eles possam processar informações genéticas humanas para fins de tomada de decisão clínica. Eles variam desde como a amostra é extraída para garantir que esteja limpa até como o software gera e interpreta seus dados.

Com muitos fabricantes abordando o mesmo problema de diferentes ângulos, a FDA determinou que precisa desenvolver um sistema para validar novos sequenciadores antes de serem aprovados para uso clínico. A agência quer dar aos médicos a garantia de que os sistemas podem garantir um certo nível de precisão. O problema com essa proposição vem com a elaboração de um teste padronizado para sequenciadores. Seria ideal se a FDA tivesse um conjunto de células vivas que já tivessem sido sequenciadas e as usasse como banco de testes. O problema é que as células tendem a sofrer mutações ao longo do tempo, então obter esse campo padronizado será difícil [fonte: FDA ].

Dito isto, dependendo de quanto tempo leva para ser aprovado, o Proton pode entrar na história da medicina como o primeiro sequenciador a atingir aproximadamente a marca mágica de US $ 1.000 por genoma humano, mas já pode ser substituído pela próxima rodada de máquinas antes mesmo de ter a chance de ajudar diretamente os pacientes. Enquanto isso, sem dúvida, terá um impacto na comunidade de pesquisa, permitindo testes mais rápidos e baratos em tudo, desde tumores a folhas de árvores.

Adoro me gabar para meus amigos sobre os títulos de minhas tarefas para o . Mas como o Ion Proton Sequencer funciona totalmente leva a fita azul puramente no fator WTH. "Você está inventando isso. O que você acabou de dizer não existe", foi provavelmente a melhor resposta que ouvi.

São assuntos como o Proton que tornam a escrita para este site tão divertida. O Proton e seus pares representam um salto gigante na tecnologia genética. A analogia mais próxima é talvez computadores no final dos anos 1970 e 1980. Assim que se tornaram tão acessíveis que as famílias médias podiam possuí-los, de repente todos começaram a adquirir computadores. No que diz respeito aos laboratórios, o Proton é o Apple Macintosh da tecnologia genética; compacto, fácil de usar, uma presença revolucionária no mercado, e inclui um laboratório inteiro de análises em uma pequena caixa.

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