تكبير / تسلسل على عصا ثقب النانو
قبل بضع سنوات ، أعلنت شركة تدعى أوكسفورد نانوبور كان يطور طريقة مختلفة جذريًا لتسلسل الحمض النووي. انها نهج ينطوي على اتخاذ فروع واحدة من الحلزون المزدوج و حشو لهم من خلال مسام البروتين. مع القليل من التيار تتدفق عبر المسام ، القواعد الأربعة للحمض النووي كل خلق تغيير متميز (إذا كان صغيراً) في الجهد أثناء مروره. هذه يمكن أن تستخدم لقراءة الحمض النووي قاعدة واحدة في وقت واحد كما هو تذبذب خلال المسام.
بعد عدة سنوات من التقدم البطيء ، أعلنت أوكسفورد نانوبور أن أجهزة التسلسل الخاصة به ستكون مميزة مثل wetware: جهاز USB يمكن أن يتلاءم بشكل مريح مع شخص ما اليد. مع خروج الأجهزة الأولى للمستخدمين ، أصبح من الواضح ذلك كان الجهاز بعض إيجابيات وسلبيات. على الجانب الإيجابي ، كان الجهاز سريعة ويمكن استخدامها دون الحاجة إلى منشأة كبيرة ل ادعمه. يمكن أن تقرأ أيضا امتدادات طويلة جدا من الحمض النووي في وقت واحد. لكن الجانب السلبي كان كبيراً: لقد ارتكب الكثير من الأخطاء.
قراءة متعمقة
جهاز تسلسل الحمض النووي بحجم USB هو عرضة للخطأ ، لكنه لا يزال مفيدًا
مع سنوات قليلة من الخبرة ، بدأ الناس الآن في التعلم لتحقيق الاستفادة القصوى من الأجهزة ، كما يتضح من ورقة جديدة في التي يستخدمها الباحثون للمساعدة في تسلسل الجينوم البشري. باستخدام يقرأ الجهاز الطويل – في حالة واحدة ، ما يقرب من 900000 قاعدة من واحدة جزيء الحمض النووي – تمكن المؤلفون من الحصول على بيانات من مناطق الجينوم البشري الذي قاوم التوصيف من قبل. وكانوا كذلك قادرة على التمييز بين مجموعتين من الكروموسومات (واحدة من أمي ، واحدة من أبي) وتحديد مجالات السيطرة اللاجينية في كثير مناطق الجينوم.
في ضوء كل المعلومات المتميزة التي يمكن أن توفرها ، معدل خطأ الجهاز يبدو وكأنه أقل من مشكلة.
الأخطاء والتصحيحات
لدينا آلات تسلسل الحمض النووي التي ترتكب أخطاء قليلة جدا. لسوء الحظ ، فهي جيدة فقط لقراءة الحمض النووي في أجزاء من حوالي 200 قواعد أو نحو ذلك. يجب أن يتعرف برنامج الكمبيوتر على الحالات في التي تتداخل هذه القطع الصغيرة واستخدامها لبناء أكبر متواليات. هذه العملية تفشل عندما يكون الحمض النووي متكررا أو متكررا جدا تظهر تسلسلات مماثلة في مناطق متعددة من الجينوم البرنامج ببساطة لا يوجد لديه وسيلة لمعرفة ما يذهب أين.
قراءة متعمقة
السمندل مع الجينوم 10 أضعاف حجم النمذجة لدينا فقدت أطرافه
كما رأينا مع الجينوم axolotl ، فمن الممكن أن تستخدم لفترة أطول ، خطأ عرضة يقرأ لفهم الفوضى. دقة عالية توفر طريقة تسلسل ، في حين أن قراءات أطول تخبرنا كيف هذه ربط تسلسل يصل إلى قطع أكبر. ستظل هناك فجوات ، لكن ستكون أقل ، وسيتم العثور على مزيد من التسلسلات في كبيرة قطع بدلا من شظايا صغيرة. بينما جينوم axolotl تعتمد على الأجهزة من Pacific Biosystems ، نظام nanopore ستعمل في هذا الصدد ، أيضا.
أو على الأقل ينبغي. وكان جزء من الهدف من ورقة جديدة ل قم بتأكيد ذلك ، والكثير من الورق يتضمن معرفة كيفية القيام بذلك الحصول على أفضل تسلسل ممكن من نانوريس المؤلفين. إلى عن على على سبيل المثال ، جربوا رزمتين مختلفتين للترجمة بيانات الجهد الخروج من أجهزتهم ووجدت أن أ حزمة مفتوحة المصدر تم تطويرها من قبل المجتمع وتستخدم شبكة عصبية أعطى أفضل البيانات. الجمع بين قراءة nanopore مع أقصر ، شظايا عالية الجودة رفعت الدقة الكلية للجينوم التجمع إلى 99.88 في المئة ، مما يدل على أن هذا يعمل.
لكن الباحثين ذهبوا أبعد من ذلك. من تلقاء نفسها ، و وكان تسلسل nanopore معدل دقة 92 في المئة فقط. متى مجتمعة ، وجود قراءات متعددة من نفس التسلسل من نفسه عززت الجهاز دقة أعلى من 97 في المئة. برنامج منفصل يمكن للحزمة أن تقارن الحالات التي تختلف فيها القراءات واتخاذ قرار بشأن من المرجح أن يكون على حق ؛ هذه عززت دقة تصل إلى 99.44 في المئة. هذه ليست جيدة مثل وجود قراءة قصيرة وعالية الجودة ، لكنها قريبة بدرجة كافية للعديد من الأغراض. مضيفا في قراءات قصيرة عالية الجودة لهذه الدقة معززة ل 99.96 في المئة.
كما قدمت النانوبوري بعض المزايا المتميزة للغاية. إلى عن على على سبيل المثال ، يمكن تغيير نشاط الجينات بما يسمى تعديلات جينية – تغيير كيميائي لبعض القواعد التي لا تغير تسلسل الحمض النووي. هذه التغييرات أيضا تغيير طفيف قراءات الجهد كقاعدة يمر ، والسماح لل الباحثون لتحديد مكان وجودهم في الجينوم.
الشراء
نرث أيضًا نسختين من كل كروموسوم (باستثناء X و Y من الذكور): واحد من أمي وواحد من أبي. بينما هذه النسخ تختلف ، معظم الحمض النووي الأساسي متطابق لفترة طويلة تمتد ، مما يجعل من المستحيل على قراءات الحمض النووي قصيرة ليتم استخدامها ل تحديد أي الكروموسوم هو الذي. نتيجة لذلك ، في حين يمكنك معرفة أين توجد الاختلافات ، فقد كان من المستحيل القول الاختلافات التي ورثت معا ، على نفس الصبغي. القراءات الطويلة من النانو تجعل هذا ممكنًا.
وأخيرا ، قرر الباحثون أن يقرأ ما دام ممكن. الحمض النووي جزيء طويل نحيف ومعالج من الحمض النووي الطويل يميل إلى تقسيمها إلى أجزاء صغيرة ، كما الحركة من السوائل سيخلق قوى قص وتمدد. إذا كنت دقيق حقا ، ومع ذلك ، يمكن التقليل من هذه. عند المؤلفين أخذ هذه الاحتياطات ، وطول القراءة النموذجية المقدمة من آلة nanopore النار تصل إلى أكثر من 100،000 قواعد. قراءة واحدة بلغ 882000.
كان ذلك كبيرا بما يكفي لتغطية بعض الثغرات التي خلفها المشروع الأصلي الذي تسلسل الجينوم البشري. واحد من هؤلاء كان 50،000 قواعد طويلة وشملت ازدواجية الجينات. وكان آخر ثماني نسخ من التسلسل المتكرر في تعاقب سريع. متأخر، بعد فوات الوقت، يجب أن يكون من الممكن استخدام هذا النهج لجلب الجينوم حتى الانتهاء.
العمل ، ومع ذلك ، حددت بعض أوجه القصور في الجانب تسلسل. تنسيق ملف شائع يستخدم للاحتفاظ ببيانات الحمض النووي ، من أجل على سبيل المثال ، لا يتم تحديدها للتعامل مع التسلسلات هذا الوقت الطويل. بسبب ذلك ، بعض برامج التحليل لا يمكن أن تعمل مع يقرأ nanopore على الاطلاق. نتيجة لهذه المشاكل التوافق ، كان الفريق اضطر إلى الاعتماد على خوارزمية مكثفة للغاية المعالج لبعض تحليلهم.
النتائج المثيرة للإعجاب التي خرجت من هذا التحليل يشير إلى أنه سيكون من المفيد وضع الجهد في الحصول على البرنامج محدث.
Nature Biotechnology، 2017. DOI: 10.1038 / nbt.4060 (About دويس).
