El genoma de los $ 100

Actualmente cuesta aproximadamente $ 60,000 secuenciar un genoma humano, y un puñado de grupos de investigación esperan lograr un genoma de $ 1,000 en los próximos tres años. Pero dos empresas, Genómica completa y BioNanomatrix , están colaborando para crear un enfoque novedoso que secuenciaría su genoma por menos del precio de un buen par de jeans, y la tecnología podría leer el genoma completo en un solo día de trabajo. Hubiera sido absolutamente imposible pensar en este proyecto hace 10 años, dice Radoje Drmanac , director científico de Complete Genomics, con sede en Mountain View, CA.





Secuencia barata: Enhebrar moléculas de ADN largas a través de canales de tamaño nanométrico en un chip especialmente fabricado podría proporcionar una forma más económica de secuenciar el ADN. Esta imagen muestra una oblea desarrollada por BioNanomatrix. Cada rectángulo es un chip nanoanalizador revestido con 50.000 canales.

Las cifras más recientes para secuenciar un genoma humano son $ 60,000 en aproximadamente seis semanas, según lo informado por Biosistemas aplicados el mes pasado. (Eso es menos de $ 3 mil millones para el Proyecto Genoma Humano, que se secuenció usando métodos tradicionales y terminó en 2003, y alrededor de $ 1 millón para el genoma de James Watson, secuenciado usando un enfoque más nuevo y de alto rendimiento y lanzado el año pasado). todavía compitiendo para desarrollar métodos que sean lo suficientemente rápidos y baratos como para permitir que todos obtengan la secuenciación de sus genomas, lo que realmente marca el comienzo de la era de la medicina personalizada.

La mayoría de las tecnologías existentes detectan la secuencia de ADN de una sola letra a la vez. Pero Complete Genomics tiene como objetivo acelerar el proceso al detectar palabras completas, cada una compuesta por cinco letras de ADN. Drmanac compara la tecnología con las búsquedas de Google, que consultan una base de datos de texto con palabras clave. Acelerando aún más el proceso con química novedosa y avances en nanofabricación, las empresas desarrollarán un dispositivo que puede leer simultáneamente la secuencia de múltiples genomas en un solo chip.



Para lograr la nueva secuenciación, los científicos primero generan todas las combinaciones posibles de segmentos de ADN de cinco letras, dadas las cuatro letras o bases que componen todo el ADN. Estos segmentos se marcan con diferentes tipos de marcadores fluorescentes y se agregan en grupos a una molécula de ADN monocatenaria. Cuando un segmento en particular coincide con una secuencia en la hebra de ADN que se va a leer, se une a esa parte de la molécula. Luego, una cámara especializada toma una imagen: las diferentes señales fluorescentes indican la secuencia en puntos específicos a lo largo de la hebra de ADN. El proceso se repite con diferentes combinaciones de ADN de cinco letras, hasta que se secuencia el cromosoma completo. El enfoque es factible debido a la reciente disponibilidad de síntesis de ADN barata, lo que hace que sea mucho más eficiente generar bibliotecas de estos segmentos de ADN.

Cada molécula de ADN se insertará en un dispositivo de nanofluidos, fabricado por BioNanomatrix, con sede en Filadelfia, revestido con filas de canales diminutos. El estrecho ancho de los canales, alrededor de 100 nanómetros, obliga al ADN normalmente enredado a desenrollarse, alineándose como un tren en un túnel largo y brindando a los investigadores una visión clara de la molécula. Dado que podemos estirar el ADN, podemos obtener una gran cantidad de información de cada pieza de ADN que miramos, dice Mike Boyce-Jacino , director ejecutivo de BioNanomatrix. La gran diferencia con cualquier otro enfoque es que estamos mirando la ubicación física al mismo tiempo que miramos la información de la secuencia. Los métodos de secuenciación actualmente en uso secuencian pequeños fragmentos de ADN y luego reconstruyen la ubicación de cada fragmento computacionalmente, lo que lleva más tiempo y requiere secuenciación repetitiva.

Las empresas aún tienen un largo camino hacia el genoma de los 100 dólares. BioNanomatrix ya ha demostrado que se pueden enhebrar piezas largas de ADN (de dos millones de letras) en los canales de los chips existentes. Pero ahora los investigadores necesitan desarrollar chips con muchos más canales, de modo que se pueda secuenciar simultáneamente el valor de ADN de múltiples genomas.



El principal obstáculo para Complete Genomics será generar etiquetas fluorescentes que puedan detectarse con facilidad y precisión. La mayoría de los métodos actuales resuelven este problema al hacer muchas copias de la misma molécula de ADN y secuenciarlas simultáneamente, aumentando así la relación señal-ruido. Pero ese enfoque limita la longitud del fragmento de ADN que se puede secuenciar y aumenta el costo al aumentar la cantidad de sustancias químicas necesarias para la reacción.

El proyecto forma parte del Programa de tecnología avanzada , financiado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología para impulsar el desarrollo de tecnologías novedosas y de alto riesgo. Este año, Complete Genomics está lanzando un producto comercial basado en una química similar, pero la compañía se ha negado a dar detalles sobre su estado.

Aún faltan al menos cinco años para la tecnología necesaria para lograr un genoma de $ 100, dice Iglesia de San Jorge , genetista de la Facultad de Medicina de Harvard, en Boston, y miembro del consejo asesor científico de Complete Genomics. Pero [proviene] de una empresa que tiene una tecnología casi tan buena que saldrá este año.



Ambos Drmanac y Boyce-Jacino dicen que una de las mayores ventajas de su tecnología será la capacidad de secuenciar hebras de ADN muy largas. Las tecnologías de secuenciación más nuevas que se utilizan en la actualidad leen el ADN en rachas bastante cortas, de aproximadamente 30 a 200 letras, que luego se unen mediante una computadora. Este enfoque funciona bien para algunas aplicaciones, como resecuenciar un genoma conocido. Pero un número creciente de estudios sugiere que los pequeños cambios estructurales en el ADN, como las deleciones o inversiones de secuencias cortas, juegan un papel importante en la variabilidad humana, dice Jeff Castle , director de programa para el desarrollo de tecnología en el Centro Nacional de Investigación del Genoma Humano, en Bethesda, MD. Esos son mucho más difíciles de aprender con lecturas cortas.

Las lecturas más largas también permitirán a los científicos observar colecciones de variaciones genéticas que se han heredado juntas, conocidas como haplotipos. Este tipo de análisis puede determinar si una variación genética particular se ha transmitido de la madre o el padre del individuo. Investigaciones recientes sugieren que, en algunos casos, la herencia materna o paterna puede afectar la gravedad de la enfermedad. Con nuevas herramientas para rastrear mejor los patrones de herencia, los científicos pueden descubrir que este fenómeno es más común de lo que se pensaba. Esa es una de las razones por las que esperamos que varios de los métodos emergentes permitan lecturas largas, dice Schloss.

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