«Биомолекула» уже не раз писала про секвенирование генетической информации (см., например, «454-секвенирование (высокопроизводительное пиросеквенирование ДНК)» [1] и «Перевалило за тысячу: третья фаза геномики человека» [2], а также [3–5]), равно как и про проект «Геном человека» [6]. Заинтересованного, но не осведомленного в этих вопросах читателя мы напутствуем сначала обратиться к этим материалам.

Первым образцом, исследованным с помощью инновационной технологии Ion Torrent, стал геном бактерии Escherichia coli, а точнее ее патогенного энтерогеморрагического штамма O104:H4 [7] (имеет ген потенциально смертоносного Shiga-токсина), мгновенно распространившегося по Европе не без помощи печально известных испанских огурцов-убийц (killer-gurken aus Spanien). Эта вспышка, унесшая 40 жизней и отправившая в больницы тысячи людей, была взята под контроль эпидемиологами во многом благодаря беспрецедентной скорости, с которой была получена последовательность ДНК E. coli O104:H4. Знание генома патогена было необходимо врачам для разработки действенных методов диагностики и лечения инфекционного заболевания. Как только последовательность ДНК была получена, были разработаны тест-системы для выявления штамма с помощью количественной ПЦР. В 8:30 утра 30 мая был запущен секвенатор Ion Torrent PGM^TM в лаборатории корпорации Life Technologies в Дармштате, а уже в 19:29 в University Hospital Muenster была завершена разработка тест-систем. Спустя несколько дней геном был независимо прочитан на таком же приборе в лаборатории Пекинского геномного института, а затем был доработан и уточнен с использованием данных, полученных на более мощных (но не столь скоростных) платформах Roche 454 и Illumina HiSeq. Микрочип, используемый в новом поколении машин для секвенирования ДНК, изображен на рис. 1.

Вторым геномом, который был прочитан с использованием полупроводниковой технологии Ion Torrent, стал геном Гордона Мура (рис. 2), пионера компьютерной индустрии и основателя корпорации Intel [8]. Помимо всего прочего, Гордон Мур является соучредителем компании Ion Torrent, а также автором известного «закона Мура», описывающего долгосрочную тенденцию развития производительности компьютеров. Производительность прямо пропорциональна количеству транзисторов, которые можно разместить на микропроцессоре компьютера; одна из формулировок закона Мура гласит, что это число удваивается каждые два года (рис. 3).

Удивительно то, что развитие технологий секвенирования ДНК по скорости сегодня обгоняет прогресс в области микропроцессоров. Это наглядно демонстрирует график, опубликованный на сайте Национального Института исследований генома человека (рис. 4).

Возможно, именно это и побудило авторов статьи [8] выбрать геном Гордона Мура в качестве образца для демонстрации потенциала новой полупроводниковой технологии секвенирования ДНК. Первые полгода с момента выхода этой технологии на массовый рынок продемонстрировали ее редкую способность к совершенствованию. За это время производительность чипов, используемых для секвенирования, увеличилась на порядок. 314 — чип первого поколения — позволяет «на потоке» прочитывать последовательности от 10 млн. пар нуклеотидных оснований (п.н.); он имеет около 1,2 млн. сенсоров (индивидуальных реакторов, в которых проходит секвенирование отдельных фрагментов). 316 — чип второго поколения — несет уже 6,1 млн. сенсоров и позволяет получать от 100 млн. п.н. За это же время длина индивидуальных прочтений (пока в лаборатории компании) возросла вдвое (с 100 до 200 п.н.). Представители Ion Torrent обещают к концу 2011 года еще в 10 раз увеличить производительность системы за счет чипа третьего поколения (318), который позволит получать от 1 млрд. оснований и будет нести 11 млн. сенсоров. Помимо этого, Ion Torrent обещает удвоение длины индивидуальных прочтений до 400 п.н. в 2012 году.

И хотя для расшифровки генома Гордона Мура потребовалось 1000 полупроводниковых микрочипов (314), что соответствует около 1 млрд. сенсоров, и стоило это во много раз дороже, чем при использовании высокопроизводительных платформ, таких как SOLiD или Illumina, работа сотрудников Ion Torrent представляет собой важную веху в развитии технологий секвенирования. Она демонстрирует, как комбинация полупроводниковых микрочипов и природной биохимии дает поразительный результат — простой, быстрый, и дешевый способ секвенирования ДНК. Способ, который позволяет напрямую, посредством электронных сенсоров, регистрировать молекулярно-биологические события (встраивание комплементарных нуклеотидов полимеразой в растущую цепь ДНК). Так Уотсон встречается с Муром.

Стоит отметить, что на сегодняшний день это единственная технология секвенирования, никоим образом не задействующая свет. Все другие современные технологии в основе своей опираются на флуоресценцию (Сэнгер, SOLiD, Illumina, Pacific Biosciences, Нelicos) или люминесценцию (Roche 454, пиросеквенирование [1]). Потенциально это многократно снижает накладные расходы (не требуются дорогостоящие флуоресцентные реактивы), что и является одним из главных козырей технологии.

В статье [8] также показано, как технология производства микрочипов позволяет создать чип для секвенирования с 1 млрд. сенсоров, что сделает полупроводниковое секвенирование человеческих геномов рутиной, — подобно тому, как рутиной стал, например, синтез белка, несколько десятилетий назад бывший передним краем биохимических наук (рис. 5).

Литература

1. 454-секвенирование (высокопроизводительное пиросеквенирование ДНК);
2. Перевалило за тысячу: третья фаза геномики человека;
3. Геном Нобелевского лауреата Джеймса Уотсона скоро будет расшифрован;
4. Скверный анекдот: негр, китаец и Крейг Вентер...;
5. Код жизни: прочесть не значит понять;
6. Геном человека: как это было и как это будет;
7. Alexander Mellmann, Dag Harmsen, Craig A. Cummings, Emily B. Zentz, Shana R. Leopold, et. al.. (2011). Prospective Genomic Characterization of the German Enterohemorrhagic Escherichia coli O104:H4 Outbreak by Rapid Next Generation Sequencing Technology. PLoS ONE. 6, e22751;
8. Jonathan M. Rothberg, Wolfgang Hinz, Todd M. Rearick, Jonathan Schultz, William Mileski, et. al.. (2011). An integrated semiconductor device enabling non-optical genome sequencing. Nature. 475, 348-352.