Будущее геномного секвенирования В. Зубов Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН

реклама
Уфа
31.10.2012
Третья Всероссийская школа-конференция
«Биомика – наука XXI века»
Будущее геномного секвенирования
В. Зубов
Институт теоретической и
экспериментальной биофизики РАН
Пущино
Большой приз Геномных гонок
Снижение стоимости секвенирования генома человека до 1000$
увеличит объём рынка геномного секвенирования до 100 млрд.$
Jonathan M. Rothberg
В США проекты по секвенированию генома человека
способствуют созданию более 300 тысяч рабочих мест.
“Privacy and progress in Whole Genome Sequencing”
(доклад Президентской комиссии по изучению
биоэтических вопросов, октябрь 2012 г.)
Ценообразующие факторы
геномного секвенирования
Экономические
Базовые
себестоимость
издержки производства
обязательная комплектность поставок
гарантии и послепродажное обслуживание
Конъюнктурные
соотношение спроса и предложения
изменение потребительских свойств
конкурентная борьба
Регулирующие
налоги и сборы
формы государственного регулирования
Технологические
Технические характеристики секвенаторов
Стоимость расходных материалов
Программное обеспечение и анализ данных
Генетические
Положительные - изученность геномов
Отрицательные - диплоидность, избыточность и нестабильность геномов
2012
Цена генома
Геномное секвенирование
The Illumina Individual Genome Sequencing (IGS) service
RapidTrack WGS - $9,500
http://www.everygenome.com/test_process/process.ilmn
Экзомное секвенирование
To date, BGI has sequenced more than 30,000 human exomes.
http://bgiamericas.com/deep-exome-sequencing-promotion/
http://dna.macrogen.com/eng/support/event/event_view.jsp?board_number=13509
Цена генома
$7666
http://www.genome.gov/sequencingcosts/
Основные модели секвенаторов
2005
GS 20
2006
2007
2008
GS FLX
GA 1G
2009
2010
Titanium
GS Junior
GA II……x………e HiSeq 2000
SOLiD 2.0
SOLiD 3
2011
FLX+
HiSeq 1000
MiSeq
SOLiD 4
5500xl
5500
PGM
PacBio RS
MaxSeq
Смена поколений
01.2012
Основные модели секвенаторов
1 Tbp
HiSeq
100 Gbp
5500
10 Gbp
1 Gbp
MiSeq
FLX+
PGM
Junior
10.2012
Основные модели секвенаторов
1 Tbp
100 Gbp
10 Gbp
Ion Proton
MiSeq
1 Gbp
PGM
2012
$740,000
Основные модели секвенаторов
компании Illumina
MiSeq
$125,000
$695
$895
$995
Проточные ячейки секвенаторов
компании Illumina
HiSeq 2000/1000
HiSeq 2500/1500
MiSeq
Получение кластеров ДНК
Pseudocolor image from the Illumina flow cell
Ключевые реагенты
дНТФ
TCEP
tris(2-carboxy-ethyl)phosphine
03.10. 2012
Clinical Sequencing News
STAT-Seq:
Rapid WGS on the HiSeq 2500
Полногеномное секвенирование новорождённых за 50 часов.
Продолжительность пробоподготовки – 4,5 часа.
Продолжительность секвенирования (2х100 п.о.) ~ 26 часов.
Производительность рабочих циклов 121…139 Gb.
Секвенатор – HiSeq 2500 (образцы доставлялись в UK).
Расчётная стоимость анализа – $13,500.
Rapid Whole-Genome Sequencing for Genetic Disease Diagnosis in Neonatal
Intensive Care Units / C.J. Saunders, N.A. Miller, S.E. Soden et al. // Sci. Transl. Med.
– 2012 (3 October). - Vol. 4, Issue 154, p.154ra135.
Прогнозы для Illumina
(очень приблизительные или даже ошибочные)
2013
2014
•
Длина чтения ДНК возрастёт до 400 п.о.
•
Производительность MiSeq удвоится (15…20 Gb)
•
Производительность HiSeq 2500 увеличится до 1…2 Tb
•
Стоимость чтения генома человека уменьшится до 6…8 тыс.$
•
Появится новая модель «одногеномного» секвенатора (MiSeq II ?)
•
HiSeq 2500 станет «восьмигеномным»
•
Стоимость чтения генома человека уменьшится до 2…4 тыс.$
Полупроводниковое секвенирование
Дина Надыршина и Ирина Гилязова у выставочного стенда компании Ion Torrent
(14.06.2010, Швеция, European Human Genetics Conference)
PGM
(Personal Genome Machine)
Основные этапы технологии
An integrated semiconductor device enabling non-optical genome sequencing /
J.M. Rothberg et al. // Nature. – 2011. – Vol.475. – P.348–352.
Структура pH-сенсорных чипов
Ion 314
Ion 318
Ion 316
Proton I
Секвенаторы компании Ion Torrent
$150 000
$49 500
PGM
Throughput:
Read Length:
Run Time:
Reads⁄Run:
Weight:
Up to 1 Gb per run
Up to 300 bp
2-4 hours
0,6…8 million reads
30 kg
Ion Proton
Up to 10 Gb per run
Up to 200 bp
2-4 hours
60-80 million reads
59 kg
pH-сенсорные чипы
Чип
Сенсорный
массив (Mp)
Стоимость
($)
Ion 314
1,5
99
Ion 316
7,2
299
Ion 318
12,9
499
Ion Proton I
165
973 (РФ)
Ion Proton II
660
-
Ion Proton III
1,2 Gp
-
Прогнозы для Ion Torrent
2013
2014
•
Длина чтения ДНК увеличится до 400…600 п.о.
•
Производительность PGM удвоится (2…4 Gb)
•
Производительность Ion Proton возрастёт до 40…80 Gb (с Proton II)
•
Стоимость чтения генома человека уменьшится до 2…4 тыс.$
•
Будет разработана новая модель секвенатора (PGM II ?)
•
Ion Proton станет полногеномным (>100 Gb, с Proton III)
•
Стоимость чтения генома человека уменьшится до 1…2 тыс.$
Наиболее вероятные конкуренты
“Карусельный” секвенатор Mini-20
ДНК-транзисторы (c IBM) ?
Поглощение Illumina ?
Полупроводниковое секвенирование ?
ДНК-наноболлы и фазирование гаплотипов
Технология Complete Genomics
In Sequense. September 20, 2011. By Monica Heger
Currently, Complete Genomics is operating 24 machines in its Mountain View, Calif., which can
each produce one genome per day.
Наименее вероятные конкуренты
(технологии мономолекулярного секвенирования)
Оптическая микроскопия
HeliScope™
PacBio RS
Электронная микроскопия
DNA Base Identification by Electron Microscopy /
D.C. Bell, W.K. Thomas, K.M. Murtagh et al. //
Microscopy and Microanalysis. – 2012, Oct.9 – P.1-5.
ADF-STEM
(annular dark-field scanning transmission electron microscopy)
Сканирующая зондовая микроскопия
Проект «Разработка нового метода
высокопроизводительного секвенирования
протяжённых фрагментов ДНК с помощью
сканирующего зондового микроскопа» (рук.
Гарафутдинов Р.Р., 2008-2010 г.г.)
ДНК-транзистор
US Pat. 2008/0187915
Нанопорное секвенирование
Wanunu M. Nanopores: A journey towards DNA sequencing /
Phys. Life Rev. – 2012. - Jun;9(2):125-158.
Reading DNA at single-nucleotide resolution with a
mutant MspA nanopore and phi29 DNA polymerase /
E.A. Manrao, I.M. Derrington, A.H. Laszlo et al. //
Nature Biotechnology. – 2012. – Vol.30. – P.349–353.
Нанопорное секвенирование с гамма-мечеными дНТФ
(Nano-SBS system)
03.10.2012
“Last Gen” sequencing platform
14.09.2012
“A real-time, single-molecule sequencer that
detects electrically active tags that will be
attached to each of the four DNA subunits”
PEG-Labeled Nucleotides and Nanopore Detection for Single Molecule DNA Sequencing by Synthesis /
S. Kumar, C. Tao, M. Chien et al. // Nature Scientific Reports 2. – 2012. – Article number: 684. –
Published 21 September 2012.
Columbia University (New York),
National Institute of Standards and Technology (Gaithersburg),
Virginia Commonwealth University (Richmond).
Раздел сфер влияния
2012
Флуоресцентное секвенирование
Полупроводниковое секвенирование
Наука
Практика
Секвенирование геномов de novo
Теория эволюции
Происхождение человека
Происхождение жизни
Ре секвенирование геномов
Медицинская генетика
Фармакогенетика
Этногенетика
Эпигенетика
Диагностика
Трансплантология
Криминалистика
Биобезопасность
Селекционная работа
Nano-SBS
Экспрессная генодигностика инфекционных болезней
Основные критерии качества
геномного секвенирования
1. Точность чтения
Q20 – 10-2 ошибок; Q30 – 10-3 ошибок
2. Длина ридов
> 400 п.о. в 2013 г.
3. Равномерность распределения ридов
4. Кратность чтения
Минимальная кратность секвенирования
генома человека – х30…х40 (90...120 Gb)
5. Диплоидность секвенирования
Только 5 индивидуальных геномов
секвенированы в диплоидном формате
Диплоидное секвенирование
(фазирование гаплотипов)
Long fragment read (LFR)
technology
Accurate whole-genome sequencing and
haplotyping from 10 to 20 human cells / B.A.
Peters et al. // Nature. - 2012 (Jul 11) – Vol.487,
№7406. – P.190-195.
Phase-Seq technology
Completely phased genome sequencing through
chromosome sorting / Hong Yanga, Xi Chena,
Wing Hung Wong // PNAS. 2011 (Jan 4). - Vol.108, №1. – P.12-17.
Cеквенирование гаплоидных клеток
Stephen Quake, PhD, a professor of bioengineering
and of applied physics at Stanford University
Genome-wide Single-Cell Analysis of Recombination Activity and De Novo
Mutation Rates in Human Sperm / J. Wang, H.Ch. Fan, B. Behr, S.R. Quake //
Cell. – 2012 (July 20). – Vol.150. – P.402–412.
Предсказательное секвенирование
Extremely low-coverage sequencing and imputation increases power for
genome-wide association studies / B. Pasaniuc, N. Rohland, P.L. McLaren et al.
// Nat. Genet. – 2012 (May 20). – Vol.44, №6. – P.631-635.
“Here, we show that extremely low-coverage sequencing (0.1–0.5×)
captures almost as much of the common (>5%) and low-frequency (1–
5%) variation across the genome as SNP arrays.”
Предсказательные геномные секвенаторы?
PGM
Throughput:
Run Time:
Up to 1 Gb per run (0,3х)
2-4 hours
Ion Proton
Up to 10 Gb per run (3х)
2-4 hours
2013 г.
Archon Genomics X Prize
Призовой фонд конкурса - $10 000 000.
Секвенирование геномов 100 долгожителей (>100 лет).
Стоимость секвенирования - ≤ $1000 за геном.
Начало – 03.09.2013.
Продолжительность - 30 дней.
Первые конкурсанты
Команда Ротберга
Команда Чёрча
Марсианские хроники
10. 2012
Разработка полностью автоматизированного секвенатора
весом менее 3 кг для отправки на Марс (~ в 2018 году).
J. Craig Venter
Jonathan M. Rothberg
Выводы
(прогнозы)
1. Стоимость секвенирования генома человека уменьшится до 1000$ через
2…3 года.
2. Снижение стоимости секвенирования генома человека до 1000$ приведёт
к увеличению объёма рынка геномного секвенирования до 100 млрд.$.
3. Через 3…5 лет появятся автоматизированные геномные секвенаторы
весом 3…5 кг.
4. Геномное секвенирование в ближайшие годы станет одним из ведущих
факторов экономического развития США.
5. Россия продолжит строительство газопроводов и освоение новых
нефтегазовых месторождений, что позволит компенсировать
многомиллиардные расходы на закупку в США геномных секвенаторов и
необходимых для их работы реагентов.
6. Активизируется контрабандный ввоз расходных реагентов из США и вывоз
российских биоматериалов для секвенирования за границу.
Особенности «национального секвенирования»
(секвенирование за пределами РФ)
http://www.evrogen.ru/services/NGS/service-NGS.shtml
“Евроген предоставляет доступ к новейшим технологиям
секвенирования следующего поколения (next-generation
sequencing) – Illumina, Roche 454, Ion Torrent.”
http://www.genotek.ru/R&D
“Компания Genotek предлагает … услуги по генотипированию,
цитогенетическому анализу и секвенированию следующего
поколения (next-generation sequencing) на платформах Illumina,
Life Technologies SOLiD и Ion Torrent.”
http://www.stabvida.com/index.php/ru/geneticsprofessionals/next
“Секвенирование Следующего поколения на различных
платформах. Назначение менеджера только для вашего
геномного проекта.”
Благодарю за внимание
Скачать