Conducerea schimbării în lumea digitală

Sigur ați auzit de secvențierea genomică, dar știți ce tehnologie o face posibilă? Știi cât costă secvențierea unui genom? În acest articol vă oferim răspunsurile la aceste întrebări și la alte întrebări și analizăm cele mai recente date despre această tehnologie.

poduri

Începutul tuturor: codul genetic al ADN-ului

Codul nostru genetic și cel al tuturor organismelor vii, de la cel mai mic virus la cel mai mare dinozaur care a existat vreodată, se bazează pe un alfabet de doar patru litere: A, C, G și T (câte una pentru fiecare nucleotidă sau bază ADN: adenină, guanină, citozină și timină, respectiv).

Cu acest limbaj cuaternar se scriu lanțurile ADN. Setul tuturor lanțurilor ADN ale unei ființe vii este genomul său. Genomul uman este alcătuit din 46 de fire de ADN (46 de cromozomi) însumând peste 3 miliarde de litere. Fiecare dintre celulele noastre, în nucleul său, conține o copie a genomului nostru. Aceeași copie în fiecare celulă. Acest genom va fi procesat diferit în fiecare tip de celulă așa cum am explicat în articolul nostru recent:

„Ce este moștenirea genetică explicată cu notele unui pian”

Secvențele genomice pot fi consultate în baze de date publice

Ordinea în care cele patru litere A, C, G și T sunt scrise într-un genom este ceea ce este cunoscut ca secvența sa. În prezent este cunoscută secvența a mii de genomi; iar acele secvențe sunt stocate în baze de date uriașe, multe dintre ele publice și disponibile gratuit. Cele mai importante baze de date genomice publice sunt NCBI (Centrul Național pentru Informații despre Biotehnologie, SUA), ENA (European Nucleotide Archive, UK) și DDBJ (Baza de date ADN din Japonia, Japonia).

Toate proiectele de secvențiere finanțate din fonduri publice sunt obligate să aloce în mod liber secvențele obținute în investigațiile lor oricăreia dintre aceste baze de date, astfel încât să poată fi consultate sau utilizate în mod liber.

Genomul uman a fost complet secvențiat în 2001. Și această etapă importantă pentru biologia moleculară a fost publicată simultan de reviste științifice Natură Da Ştiinţă.

Tehnologiile care fac posibilă secvențierea genomică

Dar cum citiți firele de ADN? Primul pas în orice proiect de secvențiere este întotdeauna fragmentarea șirurilor de ADN ale unui genom în bucăți mai mici, ceea ce va facilita citirea echipelor de secvențiere. Odată ce genomul a fost fragmentat, vor fi plasate diferite etichete pentru fiecare bază de ADN, ceea ce va face ca echipamentul de secvențiere să le recunoască, să le traducă ca A, C, G sau T și să trimită această traducere către un software care va returna o imagine similară cu este:

Aceste ieșiri software se numesc cromatograme, în care fiecare bază ADN este reprezentată de o culoare diferită (verde pentru A, albastru pentru C, negru pentru G și roșu pentru T). De asemenea, indică calitatea fiecărei citiri individuale de bază, reprezentată de o bară verde verticală. Indicele de calitate al unei secvențe de ADN este calculat prin însumarea calității individuale a fiecărei baze și servește la discriminarea între secvențe de calitate scăzută, medie și bună. În funcție de aplicațiile ulterioare ale secvenței ADN, pot fi utilizate toate calitățile sau numai cea mai bună calitate.

Citirile de secvențiere sunt trimise către o bază de date care, odată ce calitatea și alte informații legate de proiectul de secvențiere au fost analizate, le atribuie un cod de identificare (unic pentru fiecare secvență de ADN din baza de date) și magazinele. Ca utilizatori ai acelei baze de date, la descărcarea unei secvențe ni se va returna un fișier în format text similar cu acesta:

Primele două linii ale fișierului, delimitate de un semn>, conțin informațiile unice ale acelei secvențe ADN: codul său numeric (în acest caz 568815593), numele acestuia (în acest caz NC_000005.10, corespunzător cromozomului uman numărul 5) urmată de locația sa exactă în cadrul acelui cromozom (: c151690947-151657201, secvența este între acele poziții de început și de sfârșit). Notă: litera c indică faptul că secvența a fost citită în catena de ADN complementară, deci poziția sa de citire inițială este un număr mai mare decât poziția sa de citire finală.

Sursă: https://www.genome.gov/27562862/breve-historia-del-proyecto-del-genoma-humano/

Există diferite tehnologii de secvențiere

Obiectivul acestui articol nu este de a face o analiză detaliată a fiecărei tehnologii de secvențiere dezvoltate până în prezent, ci de a prezenta o viziune globală care ne ajută să înțelegem motivul evoluției descendente a costului său și, prin urmare, democratizarea aplicației sale. Pentru o analiză a diferitelor tehnologii, acesta este un ghid bun în limba spaniolă.

În anii 70-80 ai secolului trecut, secvențierea ADN-ului a fost standardizată în toate laboratoarele de biologie moleculară; A fost o secvențiere manuală bazată pe marcarea radioactivă a bazelor ADN. S-au realizat citiri de 150-300 de baze pentru fiecare reacție de secvențiere și până la 10 reacții independente ar putea fi încorporate în fiecare rundă. S-a numit manual deoarece citirea a fost făcută de utilizator, pe baza.

La mijlocul anilor 90, au început să fie comercializate primele echipamente de secvențiere automată, așa-numite pentru că au încorporat deja software care „citea” secvența; Mai mult, a fost momentul în care etichetarea radioactivă a fost abandonată (cu reducerea consecventă a riscurilor profesionale) pentru etichetele bazate pe emisiile de fluorescență care încă astăzi continuă să fie baza unor metode actuale de secvențiere în masă.

Adevărata revoluție în tehnologiile de secvențiere începe cu dezvoltarea miniaturizării dispozitivelor de încărcare a probelor de ADN: mai întâi, au apărut plăci cu 96 de godeuri (1 probă de ADN a fost plasată în fiecare godeu), apoi capacitatea lor a fost de patru ori până la 384 godeuri pe placă și în final la astăzi, când sunt folosite plăci unde sunt plasate simultan zeci de mii de probe de ADN.

Dacă adăugăm la ceea ce a fost deja comentat îmbunătățirile aduse în arhitectura echipamentului, în detectarea etichetelor de marcare a bazelor ADN și în algoritmii de secvențiere utilizați, toate acestea au însemnat o reducere treptată a costurilor de secvențiere.

Dar cât costă secvențierea unui genom?

Am întocmit un grafic al evoluției costului secvențierii unui genom din 2001 până în 2017, utilizând date publice de la NHGRI (Institutul Național de Cercetare a Genomului Uman) din Statele Unite, unul dintre pionierii în secvențierea genomului uman și în prezent unul dintre principalele depozite de proiecte de secvențare publică din întreaga lume. Datele brute și metodele utilizate pentru calcularea acestora pot fi consultate aici.

Graficul de mai sus reprezintă costul pe genom (în mii de dolari SUA) față de timpul scurs (din 2001 până în 2017). Pentru a observa mai bine diferențele enorme găsite, costul pe genom este reprezentat pe o scară logaritmică. În 2001, secvențierea unui genom a costat aproximativ 100 de milioane USD, în timp ce astăzi costă doar 1.000 USD pentru a face același lucru. De-a lungul acestor 17 ani, s-au observat diferite faze ale acestei reduceri: până în 2007 s-a observat o reducere de 10%, dar începând cu 2007, costurile de secvențiere au fost reduse la o rată foarte accelerată; Acest lucru s-a datorat introducerii îmbunătățirilor menționate mai sus de diferitele tehnologii de secvențiere în masă și de concurența acerbă care a existat și există între companiile de tehnologie care le-au dezvoltat.

Importanța acestor evoluții low-cost a fost deja transpusă în numeroase domenii de aplicare, în special așa-numitul medicament personalizat. Obiectivul său este de a optimiza tratamentele medicale, precum și recomandările de sănătate bazate pe caracteristicile genomice individuale ale fiecărui pacient.

Nu după mult timp, secvența noastră genomică va fi încorporată în istoria noastră clinică și la aceasta se vor alătura datele de monitorizare în timp real pe care le obținem prin aplicațiile noastre mobile. Acestea sunt cele trei picioare ale a ceea ce s-a numit Big Data in Health.

Orice schimbare tehnologică a presupus întotdeauna de-a lungul istoriei o anumită teamă din partea societăților care i-au văzut născuți, dar s-a arătat, de asemenea, că utilizarea corectă a tehnologiilor bazate pe o reglementare adecvată și actualizată a permis avansuri importante umanității. O reglementare corectă a utilizării datelor noastre genomice va promova dezvoltarea de aplicații care, fără îndoială, ne vor îmbunătăți calitatea vieții.

Referințe bibliografice utilizate la pregătirea acestui articol:

Mardis E. Perspectiva unui deceniu asupra tehnologiei de secvențiere a ADN-ului. Natură, 470: 198-203. 2011.

Metzker M. Tehnologii de secvențiere - generația următoare. Genetica naturii, 11: 31-46. 2010.

Genomul uman la zece: explozia secvenței. Natură, 464: 670-671. 2010.