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Warum ein tragbares DNA-Gerät bessere Daten liefern könnte
Oxford Nanopore-Technologien gab vor kurzem bekannt, dass es zwei Produkte hat, die in der Lage sind, DNA zu sequenzieren, indem die chemischen Basen in einem DNA-Molekül direkt gelesen werden, wenn es durch ein nanoskopisches Loch in einem Protein gefädelt wird. Das in Großbritannien ansässige Unternehmen wird bis Ende des Jahres mit dem Verkauf eines einfachen, tragbaren Einweg-DNA-Lesegeräts für 900 US-Dollar und eines umfassenderen Desktop-Modells beginnen.
Mini-Sequenzer: Der MinION von Oxford Nanopore wird wie ein USB-Speicherstick an einen Computer angeschlossen. Der Single-Use-Sequenzer soll noch in diesem Jahr für unter 900 US-Dollar auf den Markt kommen.
Wenn die Technologie von Oxford Nanopore das kann, was das Unternehmen verspricht, wird sie die Spielregeln grundlegend verändern, sagt Jeffery Schloss , Direktor für Technologieentwicklung am Nationales Institut für Humangenomforschung , Teil der National Institutes of Health.
Die Technologie beruht auf der Tatsache, dass eine DNA-Base oder eine Kombination von Basen auf einem DNA-Strang eine charakteristische Unterbrechung eines Stroms erzeugt, wenn er durch die Nanopore strömt. Elektroden messen die Änderung des Stromflusses, wenn DNA-Moleküle durch Protein-Nanoporen gespeist werden; Ein elektrischer Gradient treibt die DNA durch die Pore, während an den Molekülen angebrachte molekulare Controller sie mechanisch verlangsamen, damit ihre elektrischen Signale aufgezeichnet werden können.
Dieser Ansatz hat zwei wichtige Vorteile.
Erstens ist das System kompakt und benötigt keine teuren Reagenzien. Das bedeutet, dass die Sequenzierung aus dem Labor kommen kann, was sie für die personalisierte Medizin oder den Einsatz in ressourcenarmen Kliniken nützlich macht. Tatsächlich hat der Einweg-Sequenzer, den das Unternehmen gerade einführt, die Größe eines USB-Speichersticks.
Zweitens liest die Technologie viel längere DNA-Abschnitte als andere schnelle Sequenzierungsansätze, was bedeutet, dass sie das Potenzial hat, wichtige Strukturvarianten im Zusammenhang mit Krankheiten besser zu erkennen. Diese Varianten treten auf, wenn ein ganzes Chromosomensegment verschoben, invertiert, dupliziert oder anderweitig verändert wird. Wenn DNA in kürzere Abschnitte zerhackt wird, um sie zu sequenzieren und dann auf einem Computer wieder zusammenzusetzen, ist es einfacher, solche Varianten zu übersehen oder falsch zu interpretieren.
Der beste Weg zur Identifizierung von Varianten ist nach wie vor die Verwendung konventioneller Sequenzierungsmethoden, die sehr genau, aber auch teuer und langsam sind. Andere Rapid Sequencer, die in den letzten Jahren auf den Markt kamen, sind schnell und kostengünstig, aber Schloss glaubt, dass Oxford Nanopore einen Vorteil haben könnte, wenn es darum geht, Strukturvarianten zu erkennen.
Bessere Strukturinformationen könnten für die personalisierte Medizin nützlich sein. Es könnte unter anderem Fälle von Translokation identifizieren, einer Chromosomenanomalie, bei der sich große DNA-Stränge vom Chromosom dort lösen, wo sie hingehören, und an anderer Stelle wieder anbringen. Diese Mutationen können Krebs und andere Krankheiten verursachen.
Die tragbaren Nanoporen-Sequenzer des Unternehmens könnten im Feld eingesetzt werden, um beispielsweise einen neuen Bakterienstamm schnell zu identifizieren oder zu sequenzieren. Ein Sprecher von Oxford Nanopore sagt, die tragbaren Sequenzer könnten zur Überwachung der Wundversorgung in Krankenhäusern oder zur Vor-Ort-Überwachung landwirtschaftlicher Betriebe auf Lebensmittelsicherheit verwendet werden.
Auf einer Forschungskonferenz letzte Woche in Marco Island, Florida, berichtete Oxford Nanopore über die kontinuierliche Sequenzierung von DNA-Abschnitten mit 100.000 Basen im Labor – Sequenzen, die etwa 10- bis 100-mal länger sind als jedes andere Unternehmen gelesen hat. Die neuesten kommerziellen Maschinen von Pacific Biosciences sind in der Lage, bis zu 3.000 Basen gleichzeitig zu sequenzieren, sagt Edwin Hauw, Director of Product Management des Unternehmens.
Aber die Nanoporen-Sequenzierung könnte weit darüber hinausgehen. Theoretisch ist die einzige Grenze für die Länge, die das System sequenzieren kann, die Fähigkeit der Forscher, die inhärent fragilen Proben vorzubereiten. Menschliche Chromosomen umfassen etwa eine Million DNA-Basen.
Das Oxford Nanopore-System hat bisher eine rohe Fehlerquote von 4 Prozent. Kurzfristig könnte dies verbessert werden, indem der gleiche DNA-Strang mehrmals sequenziert und durch die Pore hin und her gefädelt wird. Das Unternehmen sagt jedoch, dass es in den kommenden Monaten Verbesserungen an der Nanopore und den mit der DNA-Analyse verbundenen Algorithmen vornehmen wird, die auch die Fehlerquote reduzieren werden.