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ADN de lecture rapide pouces plus près
Pour que le séquençage de l'ADN devienne une partie intégrante des soins aux patients, il doit devenir moins cher et plus rapide. Une société appelée Oxford Nanopore espère réduire à la fois le coût et le temps requis pour le séquençage à l'aide d'une technique appelée séquençage nanopore. L'entreprise a maintenant fait une démonstration importante de sa technologie : pour la première fois, les chercheurs ont pu identifier des bases d'ADN avec une précision quasi totale. En plus d'identifier les quatre bases de l'ADN, la technique peut également détecter une version modifiée de l'une des bases, qui peut être responsable du cancer et d'autres maladies.
Lecteur de vitesse : Une base d'ADN (rouge) traverse un tunnel protéique tapissé d'un sucre (bulles bleues et vertes). Le sucre ralentit l'ADN lorsqu'il se déplace à travers le pore, laissant le temps à la base d'être identifiée.
La nouvelle technique permet l'identification directe des bases sans les marqueurs fluorescents et l'équipement d'imagerie utilisés pour le séquençage conventionnel à grande vitesse. La lecture directe de l'ADN devrait non seulement être plus rapide et moins chère, mais elle devrait également permettre d'effectuer des analyses plus complexes, déclare Jeffrey Schloss, directeur du programme de développement technologique aux États-Unis. Institut national de recherche sur le génome humain . La capacité du système Oxford Nanopore à détecter les modifications de l'ADN cataloguées par un domaine émergent appelé épigénétique est particulièrement excitante, déclare Schloss. Par exemple, il a été démontré que l'ajout de molécules organiques appelées groupes méthyle à l'une des bases joue un rôle dans le développement de maladies telles que le cancer. Mais il est difficile de détecter ces modifications à l'aide de méthodes de séquençage conventionnelles, de sorte que les effets complets et pourquoi elles se produisent ne sont toujours pas bien compris.
Les chercheurs d'Oxford Nanopore n'ont pas encore démontré qu'ils peuvent traiter des séquences d'ADN complètes à l'aide de leur système. Cependant, les nouveaux résultats, publiés cette semaine dans Nature Nanotechnologie , sont une preuve de concept importante pour le séquençage des nanopores. Ils ont montré la faisabilité de toutes les étapes, dit Schloss.
Le système utilisé par la société pour identifier les bases d'ADN est une protéine de type tunnel intégrée dans une membrane très similaire à celle qui entoure les cellules biologiques. Le flux d'ions à travers la membrane et à travers le pore crée un courant qui peut être mesuré à l'aide d'une électrode similaire à celles utilisées pour étudier les neurones en laboratoire. En appliquant un fort potentiel électrique à travers la membrane, les chercheurs conduisent les bases d'ADN à travers le pore. Au passage de chaque base, elle modifie le courant traversant le pore d'une manière caractéristique.
La clé pour faire fonctionner la méthode est de contrôler le flux des bases à travers le pore de la protéine. Les bases d'ADN sont trop petites pour être identifiées par elles-mêmes : elles survoleraient, explique James Clarke, scientifique à Oxford Nanopore. Ainsi, une molécule de sucre tapissant l'ouverture la gonfle pour que l'ADN ne passe pas trop rapidement. Dans les versions précédentes du système de nanopores, cette molécule de sucre était assez vaguement associée au pore, entrant et sortant. Chercheurs de l'entreprise dirigés par le fondateur Hagan Bayley , qui est également professeur de chimie à l'Université d'Oxford, a permis de lire les bases de l'ADN les unes après les autres en liant chimiquement le sucre à l'intérieur du nanopore.
Oxford Nanopore peut identifier des bases, mais pas encore en séquence. Le système qu'il a démontré consiste à faire passer de l'ADN haché, et non des brins entiers, à travers le nanopore. La société travaille actuellement sur une configuration pour faire passer de longs brins d'ADN à travers les pores, une base à la fois. Pour ce faire, les chercheurs doivent attacher une enzyme appelée exonucléase au nanopore. Ils espèrent que les bases seront coupées une à la fois par l'enzyme et passeront à travers le pore de l'autre côté.
Il y a une question [about] ce qui se passera lorsque vous placez de longs brins d'ADN devant le nanopore, dit Schloss. Cela formera-t-il un nœud sans espoir ?
Ce n'est qu'une des nombreuses inconnues auxquelles sont confrontés les chercheurs. Pour rendre la technologie vraiment évolutive et commercialement viable, les pores devront être regroupés en grands réseaux, et l'entreprise devra développer un moyen moins compliqué de lire les signaux électriques des pores. Oxford Nanopore dit qu'il travaille actuellement sur ces deux problèmes.
Un piège potentiel de l'approche nanopore-exonucléase d'Oxford, dit Schloss, est que l'ADN sera détruit au fur et à mesure qu'il a été lu, ce qui rend impossible le reséquençage d'un brin pour vérifier les erreurs.
Cependant, il existe d'autres approches du séquençage des nanopores qui sont moins destructrices. David Deamer , professeur émérite de chimie à l'Université de Californie à Santa Cruz, qui a proposé pour la première fois le concept de séquençage des nanopores dans les années 1990 et est conseiller scientifique pour Oxford Nanopore, souligne qu'il ne s'agit pas de la première démonstration d'un système de nanopores qui peut identifier toutes les bases d'ADN. L'année dernière, des chercheurs dirigés par Reza Ghadiri au Scripps Institute, à La Jolla, en Californie, a séquencé un brin d'ADN de 10 bases de long à l'aide d'une autre technique de nanopores. Le flux d'ADN à travers le système Scripps, qui est basé sur le concept original de Deamer, est contrôlé par une enzyme qui agit comme un cliquet, faisant avancer la molécule une base à la fois. Mais ce système est beaucoup trop lent, avançant au rythme d'une base toutes les 10 minutes, et les chercheurs de Scripps travaillent à l'accélérer.
Oxford Nanopore n'a pas mis tous ses œufs dans le même panier. Il possède une technologie sous licence pour plusieurs méthodes de séquençage de nanopores, y compris celle de Deamer et une autre qui utilise un nanopore artificiel : une plaquette de silicium perforée de trous nanométriques et doublée de nanotubes de carbone dont la conductance change au fur et à mesure que l'ADN passe.
L'une de ces approches aura une percée et sera capable de séquencer à un rythme plus rapide et moins cher que ce que nous faisons actuellement, prédit Deamer. Ni les chercheurs d'Oxford Nanopore ni ceux des laboratoires concurrents ne sont prêts à spéculer sur le moment exact où cela se produira ou sur le coût d'un tel système par génome. Mais Schloss dit qu'il est possible que l'un des groupes atteigne l'année cible originale de 2014 du National Human Genome Research Institute pour un séquençage réussi des nanopores.