Технология массивного параллельного секвенирования, известная как секвенирование следующего поколения (англ. next-generation sequencing, NGS), произвела революцию в биологических науках. Благодаря своей сверхвысокой пропускной способности, масштабируемости и скорости, NGS позволяет исследователям изучать биологические системы на уровне, который никогда ранее не был доступен.
Секвенирование (от англ. sequence – «последовательность») – это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК.
Сложнейшие актуальные вопросы геномных исследований требуют такой глубины и объема информации, которые превышают возможности существовавших ранее технологий секвенирования ДНК. Секвенирование следующего поколения (NGS) заполнило этот пробел и стало сегодня незаменимым инструментом повседневных исследований.
Что может NGS
Появление технология NGS в корне изменило сам характер проблем, которые теперь доступны ученым для решения. Инновационные способы пробоподготовки и анализа выходных данных обеспечивают очень широкий спектр применения. NGS позволяет:
- Быстрое определение порядка нуклеотидов в небольших заданных областях генома либо в целых геномах;
- Изучение последовательности целевых областей при очень большой глубине;
- РНК-секвенирование для обнаружения новых вариантов РНК и сайтов сплайсинга, а также количественную оценку уровня экспрессии мРНК;
- Анализ эпигенетических факторов, таких как метилирование ДНК генома или взаимодействие между белком и ДНК;
- Секвенирование образцов рака для изучения редких соматических мутаций, опухолевых субклонов и другое;
- Изучение разнообразия микробных сообществ у людей и в окружающей среде.
Доступное секвенирование всего генома
Проект «Человеческий Геном», применявший наиболее распространенный в период последних 40 лет метод секвенирования Сэнгера, в основе которого лежит капиллярный электрофорез, занял более 10 лет и стоил почти 3 миллиарда долларов.
«Человеческий Геном» – международный научно-исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК, и идентифицировать 20–25 тыс. генов в человеческом геноме. Был проведен в период с 1990 по 2003 год.
Секвенирование следующего поколения в свою очередь делает полномасштабное секвенирование всего генома (WGS) доступным для рядового исследователя. Оно позволяет ученым анализировать весь человеческий геном в одном эксперименте, а за один год выполнять WGS для десятков тысяч геномов.
Широкий динамический диапазон для профилирования генных выражений
РНК-секвенирование на основе NGS позволяет исследователям преодолеть неэффективность таких устаревших технологий как ДНК-микрочипы. Измерение экспрессии гена с помощью ДНК-микрочипов имеет ограничения из-за шумов на нижнем уровне и насыщением сигнала на верхнем. В свою очередь, секвенирование следующего поколения делает количественную оценку дискретных цифровых последовательностей. Это обеспечивает более широкий динамический диапазон.
Благодаря широкому диапазону, NGS оказался бесценным для исследования биомаркеров при анализе разновидностей рака. С помощью NGS ученые стали изучать опухоли, выявляя очень тонкие и ранее не обнаруженные различия между видами этого заболевания. Раньше опухоли казались просто идентичными. Информация же об их специфике позволила более адресно изучать как опухоли реагируют на различные виды лечения.
Настраиваемое разрешение для целевого подмножества
Целевое секвенирование позволяет изучать интересующие подмножества генов либо специфические области генома, гибко фокусируя разрешение. Исследователь может выбрать, следует ли выполнить поверхностное сканирование множества образцов либо же секвестировать меньшее количество образцов, но на большей глубине. Это позволяет определять редкие последовательности в отдельных областях генома.
Рынок оборудования и исследований NGS
Согласно прогнозам, к 2022 году глобальный рынок оборудования для проведения NGS составит от 10,5 до 11,9 млрд. долларов. Рост спроса на системы NGS обусловлен прогрессом и все большей доступностью технологий платформ, развитием партнерских отношений между производителями и институтами, а главное – снижением стоимости секвенирования.
Благодаря развитию приборов, стоимость секвенирования генов упала на несколько порядков за последнее десятилетие. Исследование, стоившее 10 млн. долларов в конце 2007 года, к концу 2013 требовало уже не более 5000 долларов. В 2014 году генеральный директор компании Illumina Джей Флэтли презентовал новый прибор HiSeq X10, объявив о «полном исследовании генома (WGS) всего за 1000 долларов». С тех пор темпы доступности технологии только ускорились.
Лидирующие компании
В данный список не включены многочисленные компании, которые динамично растут на рынке NGS, но образованы с помощью поглощений или в партнерствах и не имеют собственной истории развития технологии.
1. Illumina (США)
Головной офис компании располагается в Сан-Диего, штат Калифорния. Она существует с 1998 года и фокусируется на разработке, производстве и внедрении систем анализа генетического разнообразия и биологических функций. После нескольких лет доминирования в высокотехнологичном секторе NGS, Illumina в январе 2018 года объявила о запуске бюджетной линейки систем iSeq 100. Компания рекламирует свои новейшие секвенсоры как приборы, которые «делают NGS доступным практически для любой лаборатории». В партнерстве с китайской компанией KingMed Diagnostics, специалисты Illumina занимаются исследованиями в области онкологии и наследственных заболеваний.
2. Thermo Fisher Scientific (США)
Американская компания по разработке биотехнологических продуктов, расположенная в Уолтеме, штат Массачусетс. Объем продаж приборов NGS составляет в ней около четверти оборота всего бизнеса. Новая система Ion GeneStudio S5 интересна тем, что позволяет объединять несколько приборов в одну платформу при проведении исследования, предлагая тем самым удобное масштабирование. Помимо выпуска собственных приборов, в прошлом году Thermo Fisher Scientific заявила, что начнет предлагать свою технологию Ion AmpliSeq (панели для создания библиотек ампликонов) для исследователей, использующих платформы NGS Illumina.
3. BGI Genomics (Китай)
BGI является компанией по секвенированию генома со штаб-квартирой в Шэньчжэне, провинция Гуандун. Она была создана в 1999 году специально для участия в проекте «Человеческий Геном» и является сегодня крупнейшим в мире исследовательским центром генетики. Дочерняя компания BGI MGI Tech развивает серию полногеномных NGS-секвенаторов MGISEQ. В январе 2018 BGI запустила проект под названием «Life Periodic Plan». Его цель состоит в том, чтобы с помощью NGS оцифровать данные обо всех животных и растениях на Земле и, в конечном итоге, выяснить скрытые законы жизни. Реализация этого проекта поможет защитить находящихся под угрозой исчезновения животных и растения, а также поддерживать экологическое равновесие и разнообразие жизни на планете.
4. Agilent Technologies (США)
Agilent Technologies – американская компания-производитель измерительного оборудования, электронно-медицинского оборудования и оборудования для химического анализа, выделившаяся в 1999 году из Hewlett-Packard. Лаборатория Agilent сфокусирована на изучении и разработках в области микроэлектромеханических систем, нанотехнологиях и биохимии. Летом 2017 году Agilent приобрела портфель патентов на молекулярное и образцовое кодирование Population Genetics Technologies, что по мнению менеджмента позволит повысить точность и чувствительность выпускаемых ею систем NGS.
5. Qiagen (Нидерланды)
В голландский холдинг Qiagen со штаб-квартирой в городе Хильден (Германия) входит около 30 компаний, занимающихся производством оборудования для молекулярной диагностики, научных и фармацевтических исследований. Флагманская система Qiagen для проведения секвенирования нового поколения – GeneReader Platform. В 2018 году Qiagen совместно с американской компанией Natera, занимающейся генетическим тестированием, заявили, что разработают бесклеточные анализы ДНК, сфокусированные на пренатальном скрининге.
6. Macrogen (Южная Корея)
Биотехнологическая компания со штаб-квартирой в Сеуле. Это крупнейшая в Южной Корее компания на рынке секвенирования и один из мировых лидеров в производстве систем NGS. Компания имеет филиалы в США и Европе.
7. Pacific Biosciences (США)
Компания PacBio описывает свою платформу NGS как одномолекулярное секвенирование в реальном времени (SMRT). Хорошие продажи запущенной в 2015 году системы секвенирования Sequel идут в Китае, что составляет значительную часть бизнеса PacBio.
8. Genewiz (США)
Genewiz специализируется на услугах в области исследований геномики и является одной из самых быстрорастущих частных компаний. Она была основана в 1999 году и располагается в штате Нью-Джерси, США. В 2017 году Genewiz расширила экспертизу в области клинической геномики, запустив лабораторную службу секвенирования CLIA Sanger Sequencing.
Источники: За основу списка компаний взята классификация Genetic Engineering & Biotechnology News, 2018 г. Описание технологии составлено на основе открытых данных от производителей, в частности Illumina.
