Enlarge / Sequence on a stick.Oxford Nanopore
Vor einigen Jahren gab eine Firma namens Oxford Nanopore dies bekannt entwickelte eine radikal andere Art der DNA-Sequenzierung. Es ist Ansatz bestand darin, einzelne Stränge der Doppelhelix zu nehmen und Füllen Sie sie durch eine Proteinpore. Mit ein bisschen Strom Die vier Basen der DNA, die durch die Pore flossen, bildeten jeweils eine deutliche (wenn auch winzige) Änderung der Spannung beim Durchgang. Diese könnten verwendet werden, um die DNA jeweils um eine Base nach der anderen zu lesen wackelte durch die Pore.
Nach mehreren Jahren langsamen Zum tschritts kündigte Oxford Nanopore an dass seine Sequenzierungshardware so unterscheidend wie sein würde Wetware: ein USB-Gerät, das bequem in eine Person passen könnte Hand. Als die ersten Geräte an die Benutzer gingen, wurde klar, dass Das Gerät hatte einige Vor- und Nachteile. Auf der positiven Seite war das Gerät schnell und könnte verwendet werden, ohne eine große Anlage zu erfordern unterstütze es. Es konnte auch sehr lange DNA-Abschnitte gleichzeitig lesen. Der Nachteil war jedoch erheblich: Es wurden viele Fehler gemacht.
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Mit ein paar Jahren Erfahrung fangen die Leute jetzt an zu lernen um das meiste aus den Geräten herauszuholen, wie ein neuer Artikel in Welche Zum scher nutzen es, um ein menschliches Genom zu sequenzieren. Durch die Nutzung Die Maschine liest lange – in einem Fall fast 900.000 Basen von einer DNA – Molekül – Die Autoren konnten Daten aus Bereichen des menschliches Genom, das sich zuvor der Charakterisierung widersetzte. Und das waren sie in der Lage, zwischen den beiden Chromosomensätzen zu unterscheiden (einer von Mutter, eine von Papa) und lokalisieren Bereiche der epigenetischen Kontrolle in vielen Bereiche des Genoms.
Angesichts all der unterschiedlichen Informationen, die es liefern kann, ist das Die Fehlerrate der Maschine scheint weniger problematisch zu sein.
Irrtümer und Korrekturen
Wir haben DNA-Sequenzierungsmaschinen, die nur sehr wenige Fehler machen. Leider sind sie nur zum Lesen von DNA in Brocken von ungefähr gut 200 Basen oder so. Computersoftware muss die Fälle in welche diese kleinen Stücke überlappen und sie verwenden, um größer aufzubauen Sequenzen. Dieser Vorgang schlägt fehl, wenn sich die DNA wiederholt oder sehr stark ähnliche Sequenzen tauchen in mehreren Bereichen des Genoms auf – im Software kann einfach nicht sagen, was wohin geht.
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Wie wir mit dem Axolotl-Genom sahen, ist es möglich, länger zu verwenden, Fehleranfällige Lesevorgänge machen Sinn für das Durcheinander. Die hohe Genauigkeit Methode liefert Sequenz, während die längeren Lesevorgänge uns sagen, wie diese Sequenzen verbinden sich zu größeren Stücken. Es wird aber noch Lücken geben es werden weniger und es werden mehr Sequenzen in großen Mengen gefunden Stücke im Gegensatz zu kleinen Fragmenten. Während das Axolotl-Genom vertraute auf Maschinen von Pacific Biosystems, dem Nanoporensystem würde diesbezüglich auch funktionieren.
Zumindest sollte es so sein. Ein Teil des Ziels des neuen Papiers war es, Bestätigen Sie dies, und ein Großteil des Papiers befasst sich mit der Frage, wie es geht Holen Sie die bestmögliche Sequenz aus den Nanoporen der Autoren heraus. ForSie haben beispielsweise versucht, zwei verschiedene Softwarepakete zu interpretieren die Spannungsdaten kamen aus ihrer Maschine und stellten fest, dass a Von der Community entwickeltes Open Source-Paket, das ein neuronales Netzwerk verwendet gab die besten Daten. Kombinieren von Nanoporenlesungen mit kürzeren, Hochwertige Fragmente erhöhten die Gesamtgenauigkeit des Genoms Montage auf 99,88 Prozent, was zeigt, dass dies funktioniert.
Aber die Forscher gingen weit darüber hinaus. Allein die Nanoporensequenz hatte eine Genauigkeitsrate von nur 92 Prozent. Wann kombiniert, mit mehreren Lesevorgängen derselben Sequenz aus derselben Maschine erhöhte die Genauigkeit über 97 Prozent. Eine separate Software Paket könnte dann Fälle vergleichen, in denen unterschiedliche Lesevorgänge nicht übereinstimmten und eine Entscheidung treffen, welche wahrscheinlich richtig ist; diese erhöhte Genauigkeit auf 99,44 Prozent. Das ist nicht so gut wie mit kurze, qualitativ hochwertige Lesevorgänge, aber für viele Zwecke nahe genug. Das Hinzufügen der hochwertigen Short Reads zu dieser erhöhten Genauigkeit zu 99,96 Prozent.
Die Nanoporen boten auch einige sehr ausgeprägte Vorteile. ForBeispielsweise kann die Aktivität von Genen durch sogenannte Gene verändert werden epigenetische Modifikationen – eine chemische Veränderung einiger Basen, die Ändern Sie nicht die DNA-Sequenz. Diese Änderungen ändern sich ebenfalls geringfügig die Spannungswerte als Basis durchlaufen, so dass die Forscher zu identifizieren, wo sie in der stattgefunden hatten Genom.
Ich gehe lange
Wir erben auch zwei Kopien von jedem Chromosom (mit Ausnahme des X und Y von Männern): einer von Mama und einer von Papa. Während diese Kopien unterschiedlich sind, ist der größte Teil der zugrunde liegenden DNA für lange Zeit identisch Dehnt sich aus und macht es unmöglich, kurze DNA-Lesevorgänge zu verwenden Bestimmen Sie, welches Chromosom welches ist. Infolgedessen, solange Sie können sagen, wo Unterschiede vorhanden sind, war es unmöglich zu sagen Welche Unterschiede wurden gemeinsam auf demselben Chromosom vererbt? Das lange Lesen von Nanoporen macht dies möglich.
Schließlich beschlossen die Forscher, die Messungen so lange wie möglich durchzuführen möglich. DNA ist ein langes, dünnes Molekül und manipuliert Lösungen von langer DNA neigt dazu, sie als die Bewegung in kleine Fragmente zu zerbrechen der Flüssigkeit erzeugt Scher- und Dehnungskräfte. Wenn du bist sehr vorsichtig, diese können jedoch minimiert werden. Wenn die Autoren Diese Vorsichtsmaßnahmen ergriffen die typische Leselänge, die von der Nanoporen-Maschine schoss bis zu mehr als 100.000 Basen; man las erreichte 882.000.
Das war groß genug, um ein paar Lücken zu schließen, die die ursprüngliches Projekt, das das menschliche Genom sequenzierte. Eines davon war 50.000 Basen lang und beinhaltete eine Vervielfältigung eines Gens. Ein anderer hatte acht Kopien einer wiederholten Sequenz in schneller Folge. Im Laufe der Zeit, es sollte möglich sein, diesen Ansatz zu nutzen, um das wirklich zu bringen Genom zur Vervollständigung.
Bei der Arbeit wurden jedoch einige Mängel in Bezug auf die Sequenzseite. Ein gängiges Dateiformat zur Speicherung von DNA-Daten, z Beispiel: Ist nicht dafür ausgelegt, Sequenzen so lange zu verarbeiten. Durch Einige Analysesoftware konnte mit den Nanoporen-Lesevorgängen nicht arbeiten überhaupt. Infolge dieser Kompatibilitätsprobleme wurde das Team gezwungen, sich für einige von ihnen auf einen sehr prozessorintensiven Algorithmus zu verlassen ihre Analyse.
Die beeindruckenden Ergebnisse dieser Analyse schlägt vor, dass es sich lohnen wird, die Mühe in die Anschaffung zu investieren die Software auf dem neuesten Stand.
Nature Biotechnology, 2017. DOI: 10.1038 / nbt.4060 (About DOIs).
