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Das 30-Dollar-Genom?
In einer Zeit, in der das langfristige Ziel eines Genoms von 1.000 US-Dollar noch immer außer Reichweite ist, verspricht ein Physiker der Harvard University einen noch günstigeren Preis – die Möglichkeit, ein menschliches Genom für nur 30 US-Dollar zu sequenzieren. David Weitz und sein Team passen die Mikrofluidik-Technologie, die winzige Tröpfchen verwendet, eine in seinem Labor entwickelte Strategie, an die DNA-Sequenzierung an. Obwohl die Forscher die DNA noch nicht sequenziert haben, haben sie Teile des Prozesses erfolgreich demonstriert und das Startup GnuBio gegründet, um die Technologie zu kommerzialisieren. Die Ergebnisse stellte Weitz letzte Woche auf der Consumer Genomics Conference in Boston vor.
Tropfen für Tropfen: Tröpfchen, die sich in einer Mikrofluidikkammer nach unten bewegen, werden mit Reagenzien injiziert, die hier schwarz eingefärbt sind.
Das Team von Weitz hatte zuvor eine Methode entwickelt, um Pikoliter-Wassertröpfchen herzustellen, die als winzige Reagenzgläser fungieren. Die Tröpfchen können auf einem Mikrofluidik-Chip präzise bewegt, mit Chemikalien injiziert und nach Farbe sortiert werden. (Die Technologie wurde kommerzialisiert von RainDance-Technologien , das Weitz 2004 mitbegründete. Das Unternehmen vermarktet die Tröpfchentechnologie zur Amplifikation ausgewählter DNA-Regionen.)
Da die Tröpfchen so klein sind, benötigen sie viel kleinere Volumina der Chemikalien, die in der Sequenzierungsreaktion verwendet werden, als dies bei aktuellen Technologien der Fall ist. Diese Reagenzien umfassen die Hauptkosten der Sequenzierung, und die meisten Schätzungen der Kosten für die Sequenzierung eines menschlichen Genoms mit einer bestimmten Technologie werden anhand der Kosten der Chemikalien berechnet. Allein auf der Grundlage von Reagenzien schätzt Weitz, dass sie für 30 US-Dollar ein menschliches Genom 30 Mal sequenzieren können. (Da die Sequenzierung fehleranfällig ist, muss der Wissenschaftler mehrmals sequenzieren, um einen genauen Messwert zu erhalten.)
Die Kosten der Sequenzierung sind in den letzten fünf Jahren exponentiell gesunken, was eine viel breitere Anwendung der Technologie zur Untersuchung der menschlichen Gesundheit und Krankheit, der Landwirtschaft und der mikrobiellen Vielfalt ermöglicht. Die Kosten für die Sequenzierung eines menschlichen Genoms betragen derzeit nur wenige tausend Dollar, obwohl Unternehmen, die den Service durchführen, 20.000 bis 48.000 US-Dollar berechnen. Eine Reihe von Unternehmen versucht, noch billigere Technologien zu entwickeln.
Beim Ansatz von Weitz werden Tröpfchen mit kurzen DNA-Strängen einer bekannten Sequenz injiziert, und diese Stränge werden mit einem optischen Strichcode gekennzeichnet. Auch Teile der Probe mit unbekannter Sequenz werden in die Tröpfchen injiziert – wenn die Probe einen Sequenzabschnitt hat, der komplementär zum bekannten Strang ist, verbinden sich die beiden Teile und lösen eine Farbänderung aus. Wiederholen Sie dies 1.000 Mal mit 1.000 verschiedenen bekannten Strängen und Sie können die Sequenz von 1.000 DNA-Buchstaben generieren, sagt Weitz.
Sowohl der optische Strichcode als auch der Farbwechsel werden unter Verwendung eines Mikroskops und einer Kamera mit automatischer Erkennungssoftware erkannt. Weitz sagt, dass sie eine Million Tropfen pro Sekunde produzieren und verarbeiten können.
Bisher hatte das Team nur wenig Geld, um die Technologie zu entwickeln. Aus diesem Grund haben sie nur einige Schritte des Verfahrens durchgeführt, wie die oben beschriebene Hybridisierungsreaktion.
GnuBio sichert sich derzeit Venture-Finanzierung, so Mitbegründer John Boyce, ehemals Leiter der Geschäftsentwicklung bei Helicos, einem anderen Sequenzierungsunternehmen mit Sitz in Cambridge. GnuBio-Forscher wollen noch in diesem Jahr eine Beta-Version der Technologie an zwei Kunden liefern. Es wird kein menschliches Genom sequenzieren können, aber kürzere Sequenzen sind immer noch von Wert, sagt Weitz. Mit einem Preis von 45.000 US-Dollar wird das Instrument deutlich günstiger sein als andere auf dem Markt.
Die Umsetzung der Technologie im Forschungsstadium in ein kommerzielles Produkt wird wahrscheinlich eine große Herausforderung sein. Georgskirche , ein Pionier der Sequenzierungstechnologie in Harvard, der im Wissenschaftsbeirat von GnuBio tätig ist, prognostiziert, dass die größten Hürden darin bestehen werden, die verschiedenen Schritte der Sequenzierung, wie die Probenvorbereitung, zu integrieren und eine gute, benutzerfreundliche Software zu entwickeln. Anders als der Mitbewerber Complete Genomics, der Sequenzierung als Service anbietet und sich daher auf Experten verlassen kann, plant GnuBio den Verkauf von Maschinen.
Jonathan Rothberg, der zusammen mit Weitz RainDance gegründet hat, sagt, dass das Unternehmen zu Beginn überlegt hatte, die Sequenzierung zu verfolgen. Aber wir haben eine geschäftliche Entscheidung getroffen, es gab andere Dinge für uns zu tun, sagt er.