Ионное полупроводниковое секвенирование

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Ионное полупроводниковое секвенирование (англ. Ion Semiconductor Sequencing) является методом секвенирования ДНК основанным на обнаружении ионов водорода, которые выделяются во время полимеризации ДНК. Это метод «секвенирования при синтезе», в ходе которого комплементарная цепь строится на основе последовательности матричной цепи.

A Ion Proton semiconductor sequencer

Микролунки, содержащие предназначенную для секвенирования молекулу матричной ДНК, наполняют дезоксирибонуклеотидтрифосфатом (dNTP) одного вида. Если введенный dNTP является комплементарным к ведущему нуклеотиду шаблона, он включается в растущую комплементарную цепь. Это вызывает высвобождение ионов водорода, который вызывает срабатывание ионного датчика ISFET, который указывает, что реакция произошла. Если в последовательности матричной цепи присутствует повтор одного нуклеотида, несколько молекул dNTP будут присоединены в одном цикле. Это приводит к увеличению количества образовавшихся ионов водорода и пропорционально более высокому электрическому сигналу.

Эта технология отличается от других технологий секвенирования тем, что не использует модифицированные нуклеотиды и оптические датчики. Ion semiconductor sequencing может также упоминаться как Ion torrent sequenсing, рН-опосредованное секвенирование, или полупроводниковое секвенирование. Разработанная Ion Torrent Systems, Inc технология была лицензирована из DNA Electronics Ltd,[1][2] и выпущена в феврале 2010 года.[3] Ion Torrent позиционировали свои системы как быстрые, компактные и экономичные секвенсоры, подходящие многим лабораториям как профессиональные системы.[4] Roche’s 454 Life Sciences сотрудничает с DNA Electronics в разработке компактной, читающей длинные последовательности ДНК платформы с использованием этой технологии.[5]

Технология[править | править вики-текст]

caption
The incorporation of deoxyribonucleotide Triphosphate into a growing DNA strand causes the release of hydrogen and pyrophosphate.
caption
The release of hydrogen ions indicate if zero, one or more nucleotides were incorporated.
caption
Released hydrogens ions are detected by an ion sensor. Multiple incorporations lead to a corresponding number of released hydrogens and intensity of signal.

Химические основы[править | править вики-текст]

Включение дезоксирибонуклеотидтрифосфата (dNTP) в растущую цепь ДНК происходит с образованием ковалентной связи и высвобождением пирофосфата и положительно заряженного иона водорода.[1][3][6] dNTP будет включен, только если он комплементарен ведущему непарному нуклеотиду матричной цепи. Ионное полупроводниковое секвенирование основано на том факте, что при замене одного вида dNTP на другой высвобождается ион водорода.

В каждую микролунку на полупроводниковом чипе, содержащую одну подлежащую секвенированию одноцепочечную молекулу ДНК-матрицы и ДНК-полимеразу, последовательно заливаются немодифицированные A, C, G или Т dNTP.[3][7][8] Если введеный dNTP комплементарен следующим непарным нуклеотидом на матричной цепи, он включается в растущую комплементарную цепь с помощью ДНК-полимеразы.[9] Если введенны dNTP не комплементарен реакции полимеризации не происходит. Ион водорода, который выделяется в реакции, изменяет рН раствора, которое обнаруживается ISFET.[1][3][7] Не прореагировавшие молекулы dNTP вымываются перед следующим циклом, когда будут введены другие виды dNTP.[7]

Обнаружение сигнала[править | править вики-текст]

Под ион-чувствительным слоем микролунок расположены ISFET датчики.[4] Все слои помещены на CMOS-чип, аналогичный широко используемым в электронной промышленности.[4][10]

Каждый чип содержит массив микролунок с соответствующими ISFET датчиками.[7] Каждый выделившийся ион водорода вызывает срабатывание ISFET датчика. Серия электрических импульсов, передаваемых от чипа к компьютеру, переводится в последовательность ДНК без промежуточного преобразования сигнала,[7][11] поскольку электроника регистрирует непосредственно события включений нуклеотидов в цепочку, без использования меченых нуклеотидов и оптических измерений.[4][10] Обработка сигналов и сборка последовательности ДНК может быть выполнена программно.

Характеристики секвенирования[править | править вики-текст]

Точность ионного полупроводникового секвенирования по состоянию на февраль 2011 года составила 99,6 % при 50-нуклеотидной длине фрагмента (рида), 100 Мб на один проход.[12] По состоянию на февраль 2011 года длина секвенируемых фрагментов составила 100 пар оснований.[12] Точность чтения повторов длинны 5 составила 98 %.[12] Следует отметить, что эти данные еще ​​не были независимо проверены вне компании.

Сильные стороны[править | править вики-текст]

Основные преимущества ионного полупроводникового секвенирования — высокая скорость секвенирования при низких начальных вложениях и эксплуатационных расходах.[8][11] Это стало возможным благодаря отсутствию модифицированных нуклеотидов и оптических измерений.

Поскольку система записывает события присоединений нуклеотидов, осуществляемых при помощи природной полимеразы, секвенирование может происходить в режиме реального времени. На самом деле, скорость секвенирования ограничена скоростью смены нуклеотидного субстрата.[13] Ion Torrent Systems, разработчик технологии, утверждает, что измерение (фиксация) каждого присоединения нуклеотида занимает 4 секунды, и каждый прогон длится около часа, в течение которого сиквенируется последовательность из 100—200 нуклеотидов.[11][14] Прогресс в области полупроводниковых чипов (предсказанный законом Мура), позволяет ожидать, что количество операций чтения на чип (и, следовательно, на прогон) должно возрасти.[11]

Расходы на приобретение рН-опосредованного секвенсора от Ion Torrent Systems, Inc на момент запуска были около 50 000 USD, не включая оборудования для подготовки образцов и сервера для анализа данных.[8][11][14] Стоимость за один цикл также значительно ниже, чем у альтернативных методов автоматизированного секвенирования и составляет на уровне примерно $ 1000.[8][12]

Ограничения[править | править вики-текст]

Если гомополимер, состоящий из повторов одного и того же нуклеотида (например GGGGG), присутствует на матричной цепи (подлежащей секвенированию), присоединяются сразу несколько нуклеотидов и в одном цикле образуется больше ионов водорода. Это приводит к большему изменению рН и пропорционально более высокому электронному сигналу.[11] Ограничение данной системы в том, что трудно посчитать длину повтора. Это ограничение характерно и для других методов, которые определяют вставки отдельных нуклеотидов, такие как пиросеквенирования.[15] Сигналы, генерируемые длинным повтором трудно отличить от сходного другой длинны, например, гомоповтор длины 7 трудно отличить от гомоповтора длины 8.

Другим недостатком этой системы является короткая длина читаемого фрагмента по сравнению с другими методами секвенирования, такие как Sanger sequencing или пиросеквенирование. Большие длины читаемых фрагментов полезны для сборки генома de novo. На текущий момент длина чтения, достигнутая Ion Torrent Systems, Inc составляет 400 пар оснований за один проход.[3][8] В настоящее время пропускная способность ниже, чем у других высокопроизводительных технологий секвенирования, хотя разработчики надеются изменить это путем увеличения плотности микролунок на чипе.[3]

Применение[править | править вики-текст]

Ion semiconductor sequencing позиционируется на рынке как быстрый, компактный и экономичный секвенсор, который может быть использован в большом количестве лабораторий как машина верхней ценовой планки.[3][4] В компании надеются, что их система будет использоваться не только в специализированных центрах, но и в больницах, и небольших университетских и промышленных лабораториях. В статье в Нью-Йорк Таймс за январь 2011 года «Taking DNA Sequencing to the Masses», подчеркиваются эти амбиции.[16]

Так как альтернативные методы секвенирования способны достигать большей длины чтения (и, следовательно, быть более подходящими для полногеномного анализа) эта технология может оказаться наиболее подходящей для приложений небольшего масштаба, таких как секвенирование микробных геномов, секвенирование микробного транскриптома, целевое секвенирование, секвинирования amplicon или для проверки качества секвенирования библиотек.[3][8]

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 Bio-IT World, Davies, K. Powering Preventative Medicine. Bio-IT World 2011
  2. GenomeWeb DNA Electronics Licenses IP to Ion Torrent. August 2010
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 Rusk, N. (2011). «Torrents of sequence». Nat Meth 8(1): 44-44.
  4. 1 2 3 4 5 Ion Torrent Official Webpage.
  5. GenomeWeb Roche Partners with DNA Electronics to Help Migrate 454 Platform to Electrochemical Detection. November 2010
  6. Purushothaman, S, Toumazou, C, Ou, C-P Protons and single nucleotide polymorphism detection: a simple use for the ion sensitive field effect transistor
  7. 1 2 3 4 5 Pennisi, E. (2010). «Semiconductors inspire new sequencing technologies». Science 327(5970): 1190.
  8. 1 2 3 4 5 6 Perkel, J., «Making contact with sequencing’s fourth generation». Biotechniques, 2011.
  9. Alberts B, Molecular Biology of the Cell. 5th Edition ed. 2008, New York: Garland Science.
  10. 1 2 Karow, J. (2009) Ion Torrent Patent App Suggests Sequencing Tech Using Chemical-Sensitive Field-Effect Transistors. In Sequence.
  11. 1 2 3 4 5 6 Bio-IT World, Davies, K. It’s «Watson Meets Moore» as Ion Torrent Introduces Semiconductor Sequencing. Bio-IT World 2010.
  12. 1 2 3 4 Karow, J. (2009) At AGBT, Ion Torrent Customers Provide First Feedback; Life Tech Outlines Platform’s Growth. In Sequence.
  13. Eid, J., et al., «Real-time DNA sequencing from single polymerase molecules». Science, 2009. 323(5910): p. 133-8.
  14. 1 2 Karow, J. (2010) Ion Torrent Systems Presents $50,000 Electronic Sequencer at AGBT. In Sequence.
  15. Metzker, M.L., «Emerging technologies in DNA sequencing». Genome Res, 2005. 15(12): p. 1767-76.
  16. Pollack, A., Taking DNA Sequencing to the Masses, in New York Times. 2011: New York.

Ссылки[править | править вики-текст]