La secuenciación rápida del ADN pronto puede convertirse en una parte rutinaria del historial médico de cada individuo, proporcionando una enorme información previamente secuestrada en los 3 mil millones de bases de nucleótidos del genoma humano. La sección NEWSFOCUS de esta semana de la revista Ciencias describe los avances recientes en la tecnología de secuenciación.

Stuart Lindsay, director del Centro de Biofísica de Moléculas Únicas del Instituto Biodesign, está a la vanguardia de esta investigación, habiendo abordado con éxito un obstáculo central en la secuenciación de nanoporos:leer bases de un solo nucleótido en una cadena de ADN. Los últimos resultados experimentales de Lindsay, que demuestran mejoras críticas en las lecturas de ADN, acaban de aparecer en el diario Nanotecnología .

Una vez que la secuenciación precisa cae por debajo del umbral de $ 1, 000 por genoma, la tecnología debería volverse omnipresente, según muchos. Como sugiere la descripción general actual de Science, Ese día puede estar acercándose a medida que la velocidad y el costo de la secuenciación del genoma completo avanzan a un ritmo que supera la famosa Ley de Moore. (que dicta una duplicación de la potencia informática y la reducción a la mitad del gasto cada 18 meses).

La última competencia tecnológica implica la idea de enhebrar una sola hebra de ADN a través de una pequeña, Ojal a escala molecular conocido como nanoporo. Esta estrategia pronto permitirá que se lea toda la secuencia de ADN de una sola vez, en lugar de cortar, descifrado en breves fragmentos y cuidadosamente reensamblado.

Si bien la primera secuenciación del genoma humano tomó a los investigadores 13 años y $ 3 mil millones para lograr, bajo los auspicios del Proyecto Genoma Humano, la hazaña pronto se podrá lograr a la tasa de cegamiento de 6 mil millones de bases de nucleótidos cada 6 horas a un costo de $ 900. Al menos esa es la afirmación extravagante de Oxford Nanopore Technologies, una de las empresas pioneras en impulsar nuevos desarrollos de secuenciación.

Dado que la idea aparentemente quijotesca de la secuenciación de nanoporos se pensó por primera vez a mediados de la década de 1990, Se han realizado enormes avances. La idea básica es que cuando un nanoporo se sumerge en un fluido conductor y se aplica un voltaje a través de él, La conducción de iones a través del nanoporo producirá una corriente eléctrica medible. Esta corriente es muy sensible al tamaño y la forma del nanoporo y, en teoría, cada base de nucleótidos en el hilo de ADN obstruirá el nanoporo a medida que migra, alterar la corriente iónica de forma reconocible y reproducible.

Sin embargo, el "hilo" de ADN es un material difícil de manipular, tan fino que se necesitarían unas 5000 hebras de ADN colocadas una al lado de la otra para igualar el ancho de un cabello humano. Encontrar un ojal adecuado a esta escala resultó todo un desafío. En primer lugar, poroso, Se exploraron las proteínas transmembrana. Alfa hemolisina (αHL), una bacteria que causa la lisis de los glóbulos rojos, parecía un candidato particularmente prometedor, dado el diámetro de nanoporos requerido para secuenciar el ADN.

Desde entonces, otros portales de ADN basados ​​en proteínas han sido modificados y, más recientemente, Se han investigado varios nanoporos de silicio o grafeno en "estado sólido". Estos se pueden fabricar más fácilmente y sus propiedades, controlado con más precisión.

Según la revisión de Science del estado actual de la técnica, la secuenciación de nanoporos "parece estar a punto de dejar el laboratorio, ”Y el sueño de un genoma de $ 1000 puede estar cerca, aunque siguen existiendo desafíos. Un problema persistente en la secuenciación de bases individuales ha sido que tienden a fluir a través del nanoporo demasiado rápido para identificar cada base de forma independiente. En lugar de, la corriente medida en los primeros experimentos reflejaba el promedio producido por un grupo de bases que se abrían paso a través del túnel.

La técnica de Lindsay se basa en leer la corriente eléctrica en un pequeño circuito compuesto por un nucleótido de ADN atrapado entre un par de electrodos de oro. que abarcan un nanoporo. Los electrodos se fabrican funcionalizando la punta de un microscopio de efecto túnel (STM), con moléculas que pueden unir bases de ADN individuales cuando asoman la cabeza a través del nanoporo.

Túnel de reconocimiento, el nombre que Lindsay aplica a su método de secuenciación, se basa en equipar uno de los dos electrodos con sensores químicos, el otro con el nucleótido diana que se va a detectar. Se produce una señal cuando la unión entre la sustancia química detectada y el objetivo se autoensambla, cerrando el circuito.

En este tipo de cruce, donde las longitudes que separan los electrodos se reducen a una escala molecular, los electrones pueden exhibir un comportamiento extraño asociado con el mundo subatómico cuántico, "Hacer túneles" a través de barreras en condiciones prohibidas por la física clásica. En tal escenario, cada uno de los 4 nucleótidos debe producir una corriente de tunelización característica, que se puede utilizar para secuenciar el ADN base por base a medida que avanza a través del nanoporo. Atrapar cada base momentáneamente da tiempo para una identificación precisa, antes de que se libere y el hilo de ADN continúe su transmigración a través del nanoporo.

Reemplazar el flujo de corriente iónica con corriente de túnel puede mejorar potencialmente la resolución de secuenciación considerablemente y en su último trabajo, El grupo de Lindsay demuestra que el análisis multiparamétrico de los picos de corriente producidos por la tunelización puede identificar cada base de ADN, ya que está sujeta temporalmente por enlaces de hidrógeno entre los electrodos funcionalizados.

Hay más.

Además de identificar la identidad de nucleótidos con una precisión superior al 90 por ciento, la técnica también permite identificar modificaciones genéticas ambientales, por ejemplo, metilación. Esto representa un gran avance para la secuenciación, como tales alteraciones epigenéticas del genoma tienen profundas implicaciones para el estudio de la salud y la enfermedad humanas, incluido el desarrollo embrionario y posnatal, y cáncer.

El artículo de Nanotecnología describe un nuevo enfoque para analizar las señales de túnel. El grupo de Lindsay utilizó el aprendizaje automático (el proceso utilizado por Watson de IBM para ganar en Jeopardy) para entrenar a una computadora para que reconozca las bases del ADN. La máquina llamó a las cuatro bases (A, T, C y G) así como la "quinta base" - metilo - que lleva el código epigenético, con una precisión del 96 por ciento en una sola lectura de molécula.

“Oxford Nanopore ha logrado un gran avance en la secuenciación de nanoporos utilizando corriente iónica, como se destaca en la historia de NEWSFOCUS, ”Dice Lindsay. "Pero creemos que podemos aportar aún más a la mesa con la supersensibilidad y la resolución química del túnel de reconocimiento".

Roche Pharmaceuticals ha obtenido recientemente la licencia de la tecnología.

La carrera de alto riesgo por la secuenciación rápida parece estar entrando en la recta final, aunque es probable que surjan nuevas sorpresas antes de la línea de meta. Una vez que se cruza, habrá llegado la era de la medicina personalizada. Es casi seguro que seguirán muchos nuevos conocimientos sobre la base genómica de la salud y la enfermedad humanas.