Уфа 31 10 2012 Третья Всероссийская школа-конференция Биомика

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 Rapid. Track 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_view. jsp? board_number=13509

Цена генома $7666 http: //www. genome. gov/sequencingcosts/

Основные модели секвенаторов 2005 2006 2007 2008 2009 2010 GS 20 GS FLX GA 1 G Titanium GS Junior GA II……x………e Hi. Seq 2000 SOLi. D 2. 0 SOLi. D 3 2011 FLX+ Hi. Seq 1000 Mi. Seq SOLi. D 4 5500 xl 5500 PGM Pac. Bio RS Max. Seq

Смена поколений

01. 2012 Основные модели секвенаторов 1 Tbp Hi. Seq 100 Gbp 5500 10 Gbp 1 Gbp Mi. Seq FLX+ PGM Junior

10. 2012 Основные модели секвенаторов 1 Tbp 100 Gbp 10 Gbp Ion Proton Mi. Seq 1 Gbp PGM

2012 $740, 000 Основные модели секвенаторов компании Illumina Mi. Seq $125, 000 $695 $895 $995

Проточные ячейки секвенаторов компании Illumina Hi. Seq 2000/1000 Hi. Seq 2500/1500 Mi. Seq

Получение кластеров ДНК Pseudocolor image from the Illumina flow cell

Ключевые реагенты д. НТФ TCEP tris(2 -carboxy-ethyl)phosphine

03. 10. 2012 Clinical Sequencing News STAT-Seq: Rapid WGS on the Hi. Seq 2500 Полногеномное секвенирование новорождённых за 50 часов. Продолжительность пробоподготовки – 4, 5 часа. Продолжительность секвенирования (2 х100 п. о. ) ~ 26 часов. Производительность рабочих циклов 121… 139 Gb. Секвенатор – Hi. Seq 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. 154 ra 135.

Прогнозы для Illumina (очень приблизительные или даже ошибочные) Длина чтения ДНК возрастёт до 400 п. о. • Производительность Mi. Seq удвоится (15… 20 Gb) Производительность Hi. Seq 2500 увеличится до 1… 2 Tb • 2014 • • 2013 Стоимость чтения генома человека уменьшится до 6… 8 тыс. $ • Появится новая модель «одногеномного» секвенатора (Mi. Seq II ? ) • Hi. Seq 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 p. H-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

p. H-сенсорные чипы Чип Сенсорный Стоимость массив (Mp) ($) 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 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) • 2014 • • 2013 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 Heli. Scope™ Pac. Bio 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 Msp. A nanopore and phi 29 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 д. НТФ (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 Q 20 – 10 -2 ошибок; Q 30 – 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, Ph. D, 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. Mc. Laren 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, 3 х) 2 -4 hours Ion Proton Up to 10 Gb per run (3 х) 2 -4 hours

2013 г. Archon Genomics X Prize Призовой фонд конкурса - $10 000. Секвенирование геномов 100 долгожителей (>100 лет). Стоимость секвенирования - ≤ $1000 за геном. Начало – 03. 09. 2013. Продолжительность - 30 дней. Первые конкурсанты Команда Ротберга Команда Чёрча

10. 2012 Марсианские хроники 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 SOLi. D 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