Istoria din spatele secvențierii următoarei generații

Publicat: 2022-06-08

În ultimii 60 de ani s-au dezvoltat tehnici inovatoare de secvențiere de generație următoare (NGS) pe care cercetătorii și clinicienii le folosesc pentru a diagnostica, monitoriza și gestiona bolile și tulburările prin determinarea liniei germinale sau a mutațiilor somatice. Oamenii de știință dintr-o varietate de domenii utilizează tehnologii de secvențiere de ultimă generație pentru a determina secvența unei catene de acid nucleic, cum ar fi ADN-ul sau ARN-ul, în câteva zile sau chiar câteva ore. Deși tehnologiile NGS sunt relativ noi pe scena medicală și științifică, aceste tehnologii au redefinit rapid cercetarea genomică.

Secvențiere SMRT și secvențiere Nanopore

Cele două tehnici principale NGS cu citire lungă sunt secvențierea în timp real cu o singură moleculă (SMRT) și secvențierea nanoporilor. Secvențierea SMRT implică cercetătorii să circularizeze firele de ADN și să utilizeze o polimerază pentru a integra baze marcate care emit lumină la integrare. Cercetătorii detectează lumina și o folosesc pentru a măsura încorporarea nucleotidelor în timp real. Între timp, secvențierea nanoporilor implică cercetătorii să măsoare modificările curentului electric pe măsură ce trec firele de ADN printr-un nanopor proteic. Apoi decodifică modificările pentru a descifra secvența.

Deși aceste tehnici sunt în prezent în fruntea NGS, aceste tehnologii au parcurs un drum lung de la începutul NGS. Aici, ne vom scufunda în călătoria pe care NGS a întreprins-o de la descoperirea structurii de bază cu dublu helix a ADN-ului în anii 1950.

Istoria din spatele secvențierii următoarei generații

De la descoperirea structurii de bază cu dublu helix a ADN-ului, oamenii de știință au dedicat mult timp și efort pentru a înțelege structurile moleculare ale ADN-ului. Și, din 2003, a văzut finalizarea Proiectului genomului uman, oamenii de știință au direcționat aceste eforturi către dezvoltarea tehnicilor NGS. Drept urmare, astăzi, oamenii de știință pot secvența un întreg genom uman într-o zi și la sub 1.000 de dolari.

Evoluții în anii 1970

Paul Berg a dezvoltat prima tehnologie de secvențiere a ADN-ului în 1972. Această tehnologie a făcut posibilă izolarea fragmentelor de ADN definite și a deschis calea pentru dezvoltarea ingineriei genetice moderne. Înainte de apariția acestei tehnologii, oamenii de știință foloseau doar fagi și ADN-ul virusului pentru secvențiere.

Apoi, în 1973, Walter Gilbert a publicat prima secvență de nucleotide. Această secvență a cuprins 24 de perechi de baze ale operatorului ADN lac . Câțiva ani mai târziu, în 1977, Frederick Sanger a secvențiat primul genom ADN complet al unui bacteriofag (phi X174). El a continuat să dezvolte metoda „secvențiere ADN cu inhibitori de terminare a lanțului”, pe care Walter Gilbert a extins-o prin dezvoltarea metodei „secvențiere ADN prin degradare chimică”.

Evoluții în anii 1980

Aproape un deceniu mai târziu, în 1986, Leroy Hood a anunțat o nouă invenție, prima mașină de secvențiere ADN semi-automatizată, la Institutul de Tehnologie din California. Cercetătorii și oamenii de știință au folosit această mașină pentru a cartografi și a secvența materialul genetic. Înainte cu un an până în 1987, și Applied Biosystems a comercializat ABI370, prima mașină de secvențiere automată, care a permis progresul în mai multe proiecte de cercetare.

Evoluții în anii 1990

În 1990, proiectul genomului uman a fost lansat oficial, cu echipe de cercetare din SUA, Marea Britanie, Germania, Franța, Japonia, China și India. Mergând înainte cu câțiva ani, în 1998, Eric Kawashima, Laurent Farinelli și Pascal Mayer au conceptualizat „Metoda de amplificare a acidului nucleic” la Institutul de Cercetare Biomedicală din Geneva, marcând o piatră de hotar cheie în istoria NGS.

Evoluții în anii 2000

Până în 2000, Proiectul Genomului Uman a beneficiat de progrese în genomica și analiza secvenței pentru a finaliza o schiță brută a genomului uman. De aici, Lynx Therapeutics Company, pe care Illumina a cumpărat-o ulterior, a lansat tehnologia de secvențiere masivă a semnăturilor (MPSS). Cercetătorii internaționali au finalizat apoi Proiectul genomului uman, care a durat în total 13 ani și a costat aproximativ 2,7 miliarde de dolari.

Începând cu secolul 21, dezvoltatorii au perfecționat mai multe tehnici NGS, oferind metode de secvențiere rentabile, eficiente, rapide și precise, care au oferit îmbunătățiri vaste față de metoda învechită Sanger. Mai întâi, în 2004, 454 Life Sciences a lansat Roshe GS20, o tehnologie de pirosecvenție de nouă generație – și prima platformă NGS de pe piață. Această platformă a transformat secvențierea ADN-ului făcând posibilă producerea a până la 20 de milioane de perechi de baze.

Apoi, în 2008, a fost publicată prima lucrare despre utilizarea secvențierii de generație următoare pentru a studia secvența genomului uman. În același an, oamenii de știință au folosit NGS pentru a produce un singur genom pentru prima dată: secvența personală a genomului lui James Watson a fost estimată la un milion de dolari.

În 2014, Illumina a lansat HiSeq X Ten Sequencer și a susținut că a produs primul genom de 1.000 USD (deși a fost nevoie de zeci de milioane de investiții inițiale pentru a ajunge la acest reper). Această dezvoltare a văzut pe Illumina monopolizarea industriei; compania deținea 70% din piața de secvențiere ADN și a reprezentat peste 90% din toate datele ADN produse la scară globală.

Apoi, în 2018, Veritas Genetics a oferit secvențierea întregului genom la doar 199 USD până la 1.000 de clienți. Un an mai târziu, în 2019, Institutul Național de Cercetare a Genomului Uman a raportat că prețul secvențierii unui genom uman complet a scăzut la 942 USD, depășind predicția Legii lui Moore.

Tehnologiile de secvențiere de ultimă generație continuă să evolueze

Astăzi, cercetătorii și oamenii de știință folosesc tehnologiile NGS în mai multe aplicații, cum ar fi metagenomica, secvențierea ARN și secvențierea întregului genom. Pe măsură ce dezvoltatorii continuă să modernizeze aceste tehnologii, le vom vedea devenind soluții eficiente și accesibile în tot mai multe laboratoare de genomică. De exemplu, cele mai noi tehnologii NGS generează deja informații precise asupra acizilor nucleici ai celulelor în timpul unei anumite faze prin utilizarea tehnicilor de secvențiere cu o singură celulă. Aceste tehnologii se sustrage de la necesitatea citirilor medii din probe, ceea ce poate induce în eroare.

Dezvoltatorii dezvoltă, de asemenea, noi tehnici de secvențiere spațială pe care oamenii de știință și cercetătorii le pot folosi pentru a secvenția direct dintr-o probă. Astfel de tehnici oferă o rezoluție specială a datelor și le permit cercetătorilor să inspecteze compoziția și interacțiunile unei celule în mediul lor natural. Aceste tehnici minimizează, de asemenea, timpul și costul secvențierii, maximizând în același timp precizia.