Un equipo interdisciplinario de investigadores de la Universidad de California en San Diego ha desarrollado una tecnología para la secuenciación y el haplotipado muy precisos de genomas a partir de células humanas individuales. Sus hallazgos se publicaron en línea antes de la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ) edición impresa.

"La secuenciación precisa de células individuales permitirá la identificación de mutaciones que causan cáncer y enfermedades genéticas, "dijo el autor principal Kun Zhang, profesor de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego. "Al mismo tiempo, el haplotipado preciso permitirá el genotipado de haplotipos, combinaciones de diferentes genes o alelos como un grupo de cualquiera de los padres ".

Los coautores de Zhang del Departamento de Bioingeniería incluyen al profesor Xiaohua Huang y al investigador postdoctoral y ex alumno Wai Keung Chu (M.S., Doctor. '11, 'dieciséis), quien es el primer autor del artículo de PNAS. Los colaboradores en la investigación del Departamento de Ciencias de la Computación e Ingeniería (CSE) incluyen al profesor Vineet Bafna, quien es un experto en bioinformática en el Centro de Innovación del Microbioma y el Centro de Biología de Sistemas de CHO, ambos en UC San Diego, Doctor. estudiante Peter Edge y el ex alumno de CSE Vikas Bansal (Ph.D. '08), ahora miembro de la facultad en CSE y profesor de pediatría en la Facultad de Medicina de UC San Diego. A las raíces interdisciplinarias del proyecto se suma el ex alumno del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (ECE), Ho Suk Lee (M.S., Doctor. '11, '15), ahora en Broadcom, quien prestó su experiencia en dispositivos de microfluidos para análisis de células individuales, así como años de trabajo en los laboratorios de bioingeniería de los profesores Zhang y Huang.

Las aplicaciones clínicas de la secuenciación del genoma exigen una alta precisión en la secuenciación del ADN. Según Bafna de CSE, hasta ahora, muchas aplicaciones estaban prohibidas porque las tecnologías actuales no eran lo suficientemente precisas como para realizarse a nivel de una sola célula humana.

"Muchas personas son portadoras de alelos que causan enfermedades genéticas o las predisponen al cáncer, ", dijo Bafna." Cada gen tiene dos alelos, uno de cada padre. Uno de los alelos puede contener mutaciones que causan enfermedades. Los portadores pueden ser asintomáticos, pero su descendencia puede mostrar síntomas debido a la combinación de alelos malos o haplotipos de ambos padres ".

Tomemos el caso de las parejas que esperan quedar embarazadas mediante fertilización in vitro (FIV). "Para el diagnóstico genético antes de la implantación de FIV, se trata de una vida humana, por lo que se requiere la máxima precisión, "explicó el profesor de bioingeniería Xiaohua Huang." Con nuestra tecnología, podemos realizar una secuenciación y haplotipado altamente precisos del genoma basados ​​en una biopsia de una sola célula de embriones tempranos ".

Además de los diagnósticos previos a la implantación de FIV y la detección temprana del cáncer, Otras aplicaciones potenciales de la tecnología desarrollada por UC San Diego incluyen la verificación de alta calidad de células humanas editadas en el genoma con fines terapéuticos. "Con la explosión en el uso de CRISPR / Cas9 y otras técnicas específicas de edición del genoma, los nuevos tratamientos podrían ser versiones modificadas de las propias células del paciente, ", dijo el primer autor y estudiante de doctorado en bioingeniería Wai Keung Chu." La tecnología hace posible utilizar una sola célula del gen 'editado' y obtener resultados que serían tan precisos como si hubiéramos secuenciado muchas células ".

La tecnología en cuestión tiene dos aspectos novedosos:un procesador de microfluidos que permite la manipulación de células individuales y hebras cromosómicas separadas en diferentes cámaras; y métodos computacionales que explotan la información de la hebra para el haplotipado y la corrección de errores. Los científicos de UC San Diego lo han denominado "Secuenciación monocatenaria utilizando reactores microfluídicos" (SISSOR).

"Esencialmente, permite la secuenciación simultánea de fragmentos muy largos de las cuatro hebras del ADN cromosómico de ambos padres, ", explicó el estudiante de doctorado en bioinformática del CSE, Peter Edge, que trabaja en el laboratorio de Ciencias de la Información del Genoma del profesor de Pediatría Vikas Bansal. "Esto nos permite hacer comparaciones y corregir errores".

La técnica SISSOR también rompe lo que se ha llamado la 'maldición de las polimerasas', que introducen errores al realizar copias de ADN. Desafortunadamente, señaló Bafna de CSE, "no podemos leer la información del genoma de células individuales sin polimerasas, así que tuvimos que encontrar una solución que elimine esos errores ".

Según sus hallazgos, Los coautores del artículo de PNAS pudieron demostrar "la secuenciación del genoma unicelular más precisa hasta la fecha".

El autor principal, Kun Zhang, dice que la naturaleza interdisciplinaria de la colaboración de investigación fue fundamental para encontrar una forma más precisa de secuenciar el ADN de células individuales. "Nuestro enfoque puede proporcionar simultáneamente una mayor precisión y haplotipos más largos que otros enfoques existentes, "concluyó Zhang." Esta innovación requirió experiencia que va más allá de lo que normalmente existe en un solo departamento, y este caso es un testimonio de la creciente cultura de investigación interdisciplinaria de UC San Diego que nos permitió atraer colaboradores de otros departamentos que eran fundamentales para una tecnología cuya recompensa se medirá con suerte en vidas salvadas, y tal vez en niños más sanos nacidos mediante métodos in vitro. fertilización."