Nueva forma más barata de secuenciación del genoma

La capacidad para secuenciar, o leer, el ADN ha revolucionado la investigación médica, incluyendo los campos del cáncer, la genética humana y las enfermedades infecciosas. También ha llegado al campo emergente de la medicina personalizada, que pronto podría permitir a los médicos adaptar terapias a los genomas individuales de los pacientes a partir de la secuenciación del genoma.

Desde que el Proyecto Genoma Humano se completó hace casi 10 años, el coste de la secuenciación del ADN ha disminuido de forma constante y la carrera está ahora en ver quién secuencia un genoma humano completo por sólo 1.000 dólares. Uno de los factores clave y fundamental piedra del camino para conseguir este hito tiene que ver con la necesidad de contar con aparatos de imagen caros.

Secuenciación del genoma rápida y barata

Jonathan Rothberg y sus colegas de Life Technologies Ion Torrent en California han desarrollado una solución a este problema en forma de un sensor electrónico en un circuito integrado que se produce utilizando técnicas de bajo coste idénticas a las que se utilizan en la fabricación de semiconductores.

El desarrollo de la secuencia de iones de semiconductores tendrá un efecto tan profundo en la secuenciación como la introducción de reproductores de imágenes CMOS ha tenido en el desarrollo de la fotografía digital – hará que los costes de secuenciación bajen y estén disponibles en todas partes rápidamente“, dijo Rothberg, que describía la nueva tecnología en un artículo publicado en la revista Nature esta semana.

La secuenciación del genoma tiene un enorme potencial en el diagnóstico y tratamiento de las enfermedades. Este dispositivo semiconductor es un desarrollo muy emocionante que debe ser capaz de entregar información sobre el genoma a la clínica de forma barata y efectiva“, agregó Dame Kay Davies de la Universidad de Oxford, Reino Unido, que no participó en la investigación.

The Ion Personal Genome Machine

The Ion Personal Genome Machine (PGM), presentada en enero de 2011. Imagen: Ion Torrent

Un nuevo enfoque en la secuenciación del genoma

Los actuales métodos de secuenciación de ADN utilizan imagen óptica, lo que requiere de equipos costosos, mientras que otros intentos de utilizar sensores electrónicos para la síntesis de ADN y su secuenciación se han visto limitados por el número de sensores que podrían caber en una sola matriz, lo que afecta negativamente a la velocidad a la que se puede leer el código.

El equipo de Rothberg ha conseguido superar estas limitaciones mediante la producción de chips electrónicos sencillos con un gran número de sensores rápidos y uniformes dispuestos en una matriz de dos dimensiones.

A diferencia de las técnicas de secuenciación actual basadas en la luz, que se basan en la liberación de fotones para medir cuando una base de nucleótidos se ha incorporado a una cadena de ADN, los chips fabricados por Ion Torrent no tienen componentes ópticos y en lugar de utilizar un sensor para medir la liberación de iones de hidrógeno, causan una reducción en el pH del medio circundante.

Este cambio en el pH se convierte en una tensión que es ligeramente diferente para cada par de bases de nucleótidos, de modo que el código de la cadena de ADN se puede leer en si detectamos los cambios de voltaje con un procesador de señal eléctrica. Los resultados se transmiten a través de varios filtros para asegurar que la ‘lectura’ del ADN es exacta y la resultados erróneos se filtran.

La ley de Moore y la secuenciación del genoma

Para probar su nuevo método, Rothberg y sus colegas secuenciaron tres genomas bacterianos conocidos con el nuevo dispositivo, que logró un 99,99% de precisión. Luego lo pusieron a secuenciar un genoma humano (pero no el de cualquier ser humano).

Oportunamente, se secuenció el genoma de Gordon Moore, el cofundador de Intel, quien en 1965 acuñó la teoría de que el número de transistores que se pueden agregar a un circuito integrado se duplica cada dos años. Denominada “ley de Moore“, esto es algo que los investigadores de genómica se esfuerzan por alcanzar para la secuenciación de ADN.

La capacidad de aprovechar la ley de Moore, añadiendo más y más sensores y secuenciar las reacciones por chip, hace que una secuenciación genética completa por menos de mil dólares pueda llegar a ser una realidad. Al igual que la informática, la secuenciación directa en un chip de iones permite que el aumento rápido y continuo de la velocidad y reducción de los costes. Al ritmo de las mejoras de la tecnología actual de Ion, la secuenciación del genoma humano completo llegará a tener un coste de mil dólares en 2013, a partir de ahí seguirán bajando los costes”, dijo Rothberg.

Millones de sensores

máquina para la secuenciación del genoma

10 Mb Ion 314, el secuenciador semiconductor original. Imagen: Jonathan Rothberg

Para la secuenciación del genoma de Moore es necesario un millar de chips individuales y alrededor de mil millones de sensores – pero el equipo ha demostrado que pueden hacer más grandes y densos conjuntos de sensores y con la mejora continua de esta tecnología debe permitir un chip con mil millones de sensores, necesarios para la secuenciación a bajo coste del genoma humano.

En la escala actual, esta nueva plataforma apasionante probablemente no vaya a revolucionar la secuenciación del genoma en los centros de genética“, dijo Micklem Gos de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, que no participó en la investigación.

El coste y la velocidad de la secuenciación y la escala de los datos generados la convierten en una plataforma muy atractiva para los laboratorios de investigación ordinarios en todo el mundo y hay un gran potencial de mejora en el futuro.”

La economía de escala de las tecnologías de semiconductores es sólo una parte de la ecuación de costes“, agregó Michael Metzker del Human Genome Sequencing Centre del Colegio Baylor de Medicina en Houston.

Aunque el precio del aparato fabricado por Torrent Ion es significativamente más barato que las plataformas existentes, los costes para ejecutar secuenciaciones son dictados por la biblioteca y los reactivos de secuenciación y materiales. Si esta nueva tecnología puede ser realmente competitiva en costes con otras de nueva generación de estrategias para la re-secuenciación de los genomas de grandes mamíferos aún está por verse“.

Más información

Artículo original de acceso libre publicado en Nature
Web personal de Jonathan Rothberg

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