MinION — портативный ДНК-секвенсор получил апгрейд

Компания Oxford Nanopore представила новую версию ДНК-анализатора MinION. Его размеры составляют всего десять сантиметров в длину, а потребляемая мощность не превышает двух с половиной ватт, что позволяет прибору получать питание от порта USB.

В 1989 году биофизик Дэвид Димер (David Deamer) сделал эскиз концептуально новой методики для расшифровки ДНК, которая опередила своё время. Буквально на следующий год после изобретения Димера начался самый грандиозный проект современной генетики, в котором использовались совсем иные подходы. Международная программа «Геном человека» заняла тринадцати лет. Для её реализации шесть стран потратили свыше $3 млрд.

Только спустя двадцать три года после зарисовки идеи компания Oxford Nanopore смогла воплотить её в виде портативного прибора MinION. При всех очевидных плюсах его точность не превышала 80%, что не позволяло использовать устройство в клинической практике без многократных перепроверок.

ДНК-анализатор MinION (фото: tgac.ac.uk).

Разработка компактных анализаторов велась на протяжении десяти лет. За это время фирма привлекла инвестиции на сумму около $292 млн. После двухлетней доработки прибора его точность и скорость существенно повысили. Она всё ещё меньше, чем у сертифицированных лабораторных установок размером со шкаф, но уже вполне пригодна для многих практических применений.

Портативный секвенсор может быть полезен для скрининга биоматериалов, взятых с места преступления, или определения штаммов в разгар эпидемии. Новый MinION станет не просто очередным, а самым миниатюрным и точным среди всех подобных устройств. Уже разрабатывается его более производительная версия PromethION с сотней тысяч нанопор, через которые будет одновременно проходить размноженная ДНК.

Сегодня лаборатории справляются с задачей полного секвенирования генома в течение суток. Для этого используются разные методы, отличающиеся скоростью, себестоимостью и процентом ошибок. Однако в общем случае используются дорогие установки внушительных размеров и множество реактивов. Поэтому полный анализ ДНК трудно назвать популярной услугой, а персонализированная медицина так и остаётся мечтой о светлом будущем.

Портативный ДНК-анализатор MinION (фото: mqgenomics.blogspot.com).

В отличие от них громоздких приборов, MinION создан согласно концепции «лаборатория-на-чипе». Распознавание нуклеотидов в нём осуществляется напрямую. По мере того, как молекула нуклеиновой кислоты проходит сквозь нанопоры мембраны, меняется её потенциал и электрическое сопротивление. В первом приближении можно сказать, что величина их изменений соответствуют тому, какой нуклеотид находится в поре сейчас, и какой был до него.

Идея пропускать ДНК через мельчайшие поры для определения последовательности нукледотидов возникла у Димера во время работы над искусственными клетками. Он рассказал её коллегам, пояснив, что нуклеотиды будут менять электрическое состояние мембраны, которое можно считывать.

«Множество умных людей сказали тогда, что это технически невозможно, – вспоминает начальник отдела геномики Национального института генома человека штата Мэриленд Джеффри Шлосс (Jeffrey Schloss). – Как мы видим сейчас, они ошибались. Теперь весь вопрос в том, как улучшить методику для использования на практике».

Бета-версия программы MinKNOW для ДНК-секвенсора MinION (фото: mqgenomics.blogspot.com).

Благодаря усовершенствованной методике нанопорового секвенирования сегодня определение последовательности нуклеотидов в ДНК или РНК можно выполнять на персональном приборе размером меньше смартфона. Расшифровка вирусных геномов происходит на нём практически мгновенно. На анализ генома прокариот требуется около минуты, а человеческий геном секвенируется несколько часов.

Этой осенью Oxford Nanopore разослала пятьсот тестовых экземпляров устройства в партнёрские организации и аффилированные лаборатории. По словам Марка Эксона (Mark Akeson), работавшего над созданием секвенсора вместе с Димером, скорость его доработки была колоссальной. Первые отзывы пришли в июне. За прошедшие два с половиной месяца компания сделала две новых версии прототипа.

Один из них был протестирован в Рослинском институте, где в 1997 году Ян Вилмут клонировал овцу Долли. Научный сотрудник лаборатории биоинформатики Мик Уотсон (Mick Watson) высоко оценил перспективы метода: «Нанопоровое секвенирование имеет необходимый потенциал для того, чтобы стать революционной технологией, которая будет доминировать на рынке долгие годы», – написал он в комментариях к отзыву.

Прототип ДНК-анализатора MinION в Ланкастерском университете (фото: Nikki Copeland).

Сейчас отмечается быстрое увеличение спроса на скоростные анализаторы ДНК. Помимо научно-исследовательских лабораторий они используются в медицинских центрах и частных компаниях. При этом практически везде стоит оборудование одной фирмы – Illumina. Эта компания из Сан-Диего довела в этом году свою рыночную долю до 90%, и сдвинуть её с пьедестала будет крайне трудно.

Текущая точность секвенсоров Illumina оценивается в 99,9%. Ошибки возникают из-за использования в методе SBS (sequencing by synthesis) коротких фрагментов ДНК – до трёхсот пар оснований за одно прочтение. Данные о каждом участке объединяют с общую базу, а исходная последовательность ДНК восстанавливается за счёт избыточности данных как огромный пазл. Некоторые части этой мозаики порой выпадают, что делает общую картину неполной. Вместе с тем, точность метода SBS считается очень высокой, а его себестоимость получается самой низкой – всего десять центов за каждый миллион пар оснований.

Одна из наиболее популярных систем секвенирования HiSeq 2500 (фото: illumina.com).

Используемый в портативных анализаторах подход основан на чтении длинных последовательностей ДНК. В этой методике длина фрагментов достигает семидесяти девяти тысяч пар нуклеотидов, что можно считать своеобразным рекордом. Расчёты себестоимости затрат для неё пока не опубликованы, но они явно будут самыми низкими. Ведь в этом случае для анализа не требуются реактивы, ручные манипуляции и даже предварительная подготовка нуклеиновых кислот.

Помещение исследуемого образца в секвенсор minION (фото: technologyreview.com).

Пару лет назад швейцарская фармацевтическая компания Хоффманн-Ля Рош безуспешно пыталась приобрести Illumina, когда она только начинала свой стремительный рост.

Сейчас подразделение Roche Diagnostics отказалось от этой идеи и делает ставку на альтернативные технологии. Оно инвестирует в фирмы, занимающиеся развитием нанопорового секвенирования – такие как Stratos Genomics и биотехнологическое подразделение Hitachi.

Мелкие стартапы, работающие в этом направлении, выгоднее скупить. Последним приобретением стала Genia Technologies, стоимость которой ($125 млн) по прогнозам аналитиков вернётся сторицей в ближайшие годы.

Компания Oxford Nanopore пока не планирует продавать свои активы и готовит настоящую революцию. Её главным козырем станет цена устройства и его компактность. «По габаритам это уже не шкаф и даже не ящик. Мы можем быстро отправить тысячи таких приборов через FedEx куда угодно», – комментирует Эксон.

Цена на устройство станет ещё одним сюрпризом. Официально она пока не озвучена, но исследователь из Университета Бирмингема Ник Ломан (Nick Loman) сообщил, что его лаборатория заплатила около тысячи долларов за каждый прототип. Для сравнения: анализатор HiSeq 2500 от Illumina стоит около миллиона долларов.