El Ion Proton Sequencer luce hermoso en la Feria Internacional de Electrónica de Consumo de 2012 en Las Vegas. Secuenciador de iones y protones... Ese sí que es un nombre formidable. Y es uno que podría aplicarse a casi cualquier tecnología del tipo fantasmagórico de ciencia ficción. ¿Fue esa cosa que usaron para transportar a Kirk, Spock, Bones y un desafortunado "Camisa Roja" a la superficie de cada planeta desconocido? Negativo. Ese era un transportador. ¿Es uno de los inventos fallidos del Dr. Thaddeus Venture de "The Venture Bros." ¿serie? No, estás pensando en el localizador metasónico de ese.
Si el secuenciador de iones y protones fuera una pieza de ficción, que no lo es, se encontraría en el laboratorio médico de todas las naves estelares de exploración del espacio profundo; estudiaría nuevas formas de vida y averiguaría cuántos viajes en el transportador reducirían la doble hélice de su ADN a algo que parece el poste de un bombero. Pero, por desgracia, la máquina es un dispositivo de investigación médica real y revolucionario.
Fue el primero de una nueva generación de secuenciadores que pueden decodificar un genoma humano completo de forma rápida y económica. Menos el tiempo para preparar la muestra de ADN, el procesamiento solo toma alrededor de un día. Y la compañía dice que la prueba cuesta alrededor de $1000.
Esos dos factores hacen que esta máquina, y las de sus competidores, como Illumina y Pacific Biosciences, cambien completamente las reglas del juego para la investigación y el tratamiento médicos. Hasta hace poco, la decodificación genética todavía era bastante rara debido a los costos y el tiempo prohibitivos involucrados. Podría llevar días o semanas leer las secuencias parciales de ADN. Y una decodificación completa del genoma de una persona costó cientos de miles de dólares hace solo unos años [fuente:NOVA].
Como resultado, este tipo de tecnología generalmente se reservaba para el entorno de laboratorio. A menos que los médicos o investigadores estuvieran lidiando con un caso médico excepcional con ramificaciones de salud generalizadas, dicho escrutinio genético generalmente no era práctico.
Uno de esos casos destacados tuvo lugar en 2011, cuando una nueva cepa de E. coli estalló en Alemania. Mientras los investigadores estaban ocupados rastreando la fuente, los investigadores observaban la composición de esta nueva bacteria. Utilizaron un predecesor del Ion Proton Sequencer llamado Personal Genome Machine (PGM) Sequencer. Está fabricado por la misma empresa, Life Technologies, y podría leer grandes porciones del plano genético del organismo en horas en lugar de semanas.
Los investigadores pudieron comparar ese modelo con E previamente decodificado. coli y determinar que estaban tratando con una nueva variante y comprender algunas de sus características, como la toxicidad y los antibióticos a los que podría resistir. Armados con esos datos, los médicos tenían una mejor oportunidad de ayudar a los pacientes infectados con el patógeno. En última instancia, más de 4000 personas se infectaron y 50 casos conocidos murieron a causa de él [fuente:Organización Mundial de la Salud].
Entonces, sabemos que la secuenciación genética es algo poderoso. Ya se ha demostrado que puede ayudar a detener un brote. Aprendamos sobre los desarrollos que hicieron posible el secuenciador de iones de protones y lo que podría hacer para la medicina futura.
Contenido- ¿Qué hace que el secuenciador de iones y protones sea tan especial?
- Poner el protón a trabajar
- Cómo le beneficiará la secuenciación del genoma
- Las desventajas de la secuenciación del genoma humano de todos
- Nota del autor
¿Qué hace que el secuenciador de iones de protones sea tan especial?
Primer plano del secuenciador de iones de protones en la feria internacional de electrónica de consumo de 2012 Vamos a poner la cosa del nombre a descansar. Ion. Protón. Secuenciador. El nombre es básicamente taxonomía corporativa. "Ion" proviene de Ion Torrent, el nombre de la marca (propiedad de Life Technologies) que fabrica este dispositivo. "Proton" es el nombre del modelo de este producto; algo así como llamar a un automóvil "Fusion" o "Tribeca", los automóviles no funcionan con energía nuclear, ni están construidos en un barrio de moda de Manhattan. Y "secuenciador", bueno, eso es exactamente lo que es la máquina:un secuenciador. Lo llamaremos Protón para abreviar.
El sistema se dio a conocer en enero de 2012 y llamó la atención de inmediato por sus audaces afirmaciones de entregar secuencias genéticas de $ 1,000 en un solo día. Teniendo en cuenta que el genoma humano había sido decodificado nueve años antes, poner potencialmente el poder de la información genética humana en cada hospital es un gran paso adelante.
La compañía anunció que el chip Proton 1 para su nuevo secuenciador estaría disponible a mediados de 2012 y sería capaz de manejar trabajos de secuenciación mucho más grandes que su predecesor, Personal Genome Machine (PGM). Para finales de 2012, Life Technologies dijo que tendría el chip Proton II en el mercado, que podría asumir todo el genoma humano de una sola vez.
Desde la perspectiva de la escalabilidad, Proton es un gran éxito. La máquina completa es aproximadamente del tamaño de una impresora láser de tamaño mediano que puede encontrar en cualquier oficina y cuesta alrededor de $ 150,000. Eso es tres veces más que el PGM, pero sigue siendo una gran capacidad por su dinero médico, considerando que una máquina de resonancia magnética puede costar unos pocos millones de dólares. Por supuesto, los resultados ofrecidos por la resonancia magnética y la secuenciación genética son manzanas y naranjas proverbiales, pero ambos son procedimientos no invasivos que pueden permitir a los médicos observar la condición de un paciente con detalles que salvan vidas. Teniendo en cuenta cómo las resonancias magnéticas despegaron para convertirse en una herramienta en el arsenal estándar de todos los hospitales, es probable que los secuenciadores se conviertan en la próxima gran herramienta imprescindible para cualquier hospital de tamaño razonable en los próximos años. Los mayores factores limitantes pueden ser encontrar personal capacitado para realizar pruebas e interpretar datos, así como recibir la aprobación de la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU. para uso médico. Pero hablaremos de eso más tarde.
Como puede imaginar, las empresas se están alineando junto con Life Technologies para satisfacer esta demanda. Días antes de que se anunciara el Proton, el competidor Illumina lanzó su sistema comparable, el HiSeq 2500 (alrededor de $ 740,000 para comprar uno nuevo). Si bien las primeras especulaciones sugirieron que el sistema de Illumina podría proporcionar lecturas más limpias en una sola prueba, Proton parece el ganador en la batalla de las etiquetas de precios [fuente:Herper]. De hecho, ahora que las empresas de ciencias de la vida como Life Technologies, Illumina y Pacific Biosciences han hecho que el genoma humano sea más accesible, es probable que haya una explosión de secuenciadores a una variedad de precios que compitan por el espacio de laboratorio entre los investigadores y las instalaciones médicas.
Poner el protón a trabajar
El Protón puede abordar todo tipo de secuenciación, ya sea basada en ADN o ARN (ácido ribonucleico). Life Technologies dice que la máquina es una buena opción para secuenciar lo siguiente:
Las técnicas anteriores de secuenciación de baja resolución solo permitían a los investigadores examinar pequeños tramos de datos genéticos. Los investigadores también tenían que tener una idea de lo que estaban tratando de encontrar. Con esta nueva generación de secuenciadores, pueden capturar tramos de datos mucho más largos. ¿Listo para desenredar algunos? Los dos ingredientes más importantes en este proceso serán las hebras de ADN y el chip lleno de sensores del secuenciador.
Antes de que pueda recopilar datos, debe preparar su muestra, ¿verdad? Hay sistemas para eso. Los automatizados. Por ejemplo, en el momento en que escribimos este artículo, podía comprar el sistema Ion OneTouch por $14 490 para manejar la preparación de muestras en aproximadamente cuatro horas para el predecesor de Proton, la Personal Genome Machine.
Ahora pasamos al chip. El chip semiconductor Proton I está lleno de 165 millones de sensores que funcionan un poco como los que están dentro de una cámara digital. Encima de los sensores hay pequeños pozos donde se encuentra la muestra de ADN. Las muestras se bombardean con nucleótidos (los componentes básicos de los ácidos nucleicos como el ADN). Si un nucleótido se une a la muestra, se libera un ion de hidrógeno, por lo que estos sensores controlan la acidez de la solución en busca de cambios. Técnicamente hablando, este método basado en el pH se denomina Secuenciación de semiconductores de iones. .
El chip es donde realmente reside el poder de la máquina Proton. El chip Proton II está programado para tener 660 millones de sensores. Todos esos sensores son bastante útiles cuando recuerdas que 3.100 millones de bases componen el genoma humano. Al igual que con las cámaras digitales, los chips más fuertes significan resultados más detallados y, para los secuenciadores, vistas más largas de la cadena de ADN. Con cada avance en los semiconductores viene un paso más en la resolución.
Una vez cargado en el Proton, el chip, con todos sus sensores, lee la hebra de ADN mientras que el software analiza los datos para verificar que estén completos y precisos, entregándolos a los investigadores.
Según Life Technologies, el sensor y el kit de preparación de muestras cuestan alrededor de $1000 en total, y el Proton es una unidad pequeña, por lo que no es exactamente un consumidor de energía.
En cierto modo, la secuencia real es la parte fácil. La próxima gran área de desarrollo de software es ayudar a los investigadores y médicos a ver y comprender patrones en el genoma más fácilmente. Después de todo, el genoma humano contiene más de 20 000 genes [fuente:NOVA]. Un verdadero almacén de información genética que debe ordenarse para poder hacer cualquier hallazgo.
Ahora que tenemos una comprensión aproximada del proceso, exploremos los posibles usos de la secuenciación.
El DL en el ADNHagamos un pequeño viaje de regreso a Biología 101. Cada célula humana en el cuerpo contiene ADN. Las hebras de información en el ADN de una célula a otra son idénticas, sin embargo, diferirán ligeramente gracias a la expresión génica, en lugar de una diferencia en la secuencia en sí [fuente:Shaw y Ralston]. Esas diferencias en las que los genes se activan o desactivan dan a las células sus propiedades básicas, por ejemplo, diferenciar las células de la piel de las células nerviosas.
Cómo le beneficiará la secuenciación del genoma
Jeffery M. Vance, MD, Ph.D, presidente del departamento de genética humana de la Universidad de Miami, opera Máquina HiSeq de Illumina. El dispositivo completó la secuenciación del exoma completo para encontrar la causa de una enfermedad ocular degenerativa llamada retinosis pigmentaria. Comencemos mencionando que es difícil exagerar la importancia de la secuenciación del genoma. Ya lo hemos visto desbloquear una nueva bacteria asesina. Entonces, ¿qué más puede hacer? Bueno, dado que el ADN es el código fuente de toda la vida en nuestro planeta, tener la capacidad de leer esos pequeños hilos de información críptica ayudará a los investigadores y médicos a comprender la base misma de las enfermedades.
Tomemos, por ejemplo, el cáncer. Durante todo el día, las células se reproducen en nuestros cuerpos, utilizando esa información genética en su ADN. El cáncer se produce cuando parte de esa información se copia incorrectamente, produciendo células de un tipo diferente. Ser capaz de leer esas células nos ayuda a comprender, a un nivel mucho más profundo, los tipos de cáncer con los que podría estar lidiando un paciente y puede identificar la predisposición genética al cáncer. También puede ayudar a los médicos a identificar las debilidades dentro de diferentes tipos de cáncer para crear nuevos tratamientos.
La transcripción del genoma también se puede utilizar para beneficiar a pacientes sanos de forma preventiva. Tantos problemas de salud tienen sus raíces en nuestros genes. Por ejemplo, algunas familias pueden tener tendencias hacia enfermedades del corazón, diabetes o incluso alcoholismo. Usando software especializado que lee patrones en secuencias de genes, los médicos podrían advertir a los pacientes sobre sus áreas vulnerables.
Eso no quiere decir que la secuenciación del genoma pueda predecir que un paciente dado sufrirá un ataque al corazón o se volverá alcohólico, pero puede advertirle si corre un mayor riesgo. Luego, pueden tomar decisiones informadas para abordar ese riesgo antes de que se convierta en una emergencia médica. Se podría hacer lo mismo para todo, desde la enfermedad de Alzheimer hasta los problemas de densidad ósea.
Es lógico pensar que, algún día, la mayoría de la gente podría tener un mapa de su genoma personal guardado en algún lugar de su expediente médico electrónico. Después de todo, las condiciones de salud van y vienen, pero el ADN es un modelo para toda la vida. A medida que surgen esas condiciones de salud, se puede verificar el ADN para ofrecer a los médicos una comprensión más profunda de sus pacientes. Es por eso que estas herramientas de secuenciación eventualmente comenzarán a migrar de los laboratorios a las clínicas de los hospitales.
Ese momento aún no ha llegado. De hecho, a pesar de que está en el mercado, su médico no pudo ordenar una lectura de su genoma del Proton ni de ninguno de los otros sistemas de próxima generación en el mercado a partir de julio de 2012. Siga leyendo y descubra por qué.
Las desventajas de la secuenciación del genoma humano de todos
Con esta tecnología revolucionaria desentrañando los misterios de nuestros genes a un ritmo tan rápido, debe tenerse en cuenta que todos los materiales publicitarios de Life Technologies para los lanzamientos de nuevos productos presentaban la misma declaración oculta en algún lugar. Dicen que "estos productos son solo para uso de investigación y no están destinados a ningún uso terapéutico o de diagnóstico en animales o humanos". Esa es la manera que tienen los fabricantes de decir que puedes usar estas máquinas para estudiar cualquier enfermedad o el genoma humano. Simplemente no se puede estudiar el genoma de una persona específica para ayudarlo a tomar decisiones sobre su tratamiento de salud.
Dado que se trata de una tecnología tan nueva, la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU. (FDA) debe revisar y aprobar todas estas máquinas de secuenciación de próxima generación antes de que se suelten en los pacientes.
En el verano de 2011, la FDA convocó a un panel de fabricantes y expertos para discutir las cuestiones que rodean a este tipo de secuenciadores. Si bien todos estuvieron de acuerdo en que son una herramienta poderosa, se deben abordar muchas preguntas antes de que se les permita procesar información genética humana con el fin de tomar decisiones clínicas. Van desde cómo se extrae la muestra para garantizar que esté limpia hasta cómo el software genera e interpreta sus datos.
Con muchos fabricantes abordando el mismo problema desde diferentes ángulos, la FDA ha determinado que necesita diseñar un sistema para validar nuevos secuenciadores antes de que sean aprobados para uso clínico. La agencia quiere dar a los médicos la seguridad de que los sistemas pueden garantizar un cierto nivel de precisión. El problema con esa proposición viene con el diseño de una prueba estandarizada para secuenciadores. Sería ideal si la FDA tuviera un conjunto de células vivas que ya habían sido secuenciadas y las usara como banco de pruebas. El problema es que las células tenderán a mutar con el tiempo, por lo que conseguir ese campo estandarizado será difícil [fuente:FDA].
Dicho esto, dependiendo de cuánto tiempo se tarde en ser aprobado, el Proton podría pasar a la historia médica como el primer secuenciador en alcanzar aproximadamente la marca mágica de $ 1,000 por genoma humano, pero es posible que ya sea reemplazado por la próxima ronda. de máquinas antes de que tenga la oportunidad de ayudar directamente a los pacientes. Mientras tanto, sin duda tendrá un impacto en la comunidad de investigación al permitir pruebas más rápidas y económicas en todo, desde tumores hasta hojas de árboles.
Nota del autor
Me encanta presumir con mis amigos sobre los títulos de mis tareas para HowStuffWorks. Pero el modo en que funciona el secuenciador de protones de iones toma la cinta azul puramente en el factor WTH. "Te lo estás inventando. Lo que acabas de decir no existe", fue probablemente la mejor respuesta que escuché.
Son temas como el Protón los que hacen que escribir para este sitio sea tan divertido. El Protón y sus pares representan un gran salto en la tecnología genética. La analogía más cercana es tal vez las computadoras a finales de los años 70 y 80. Tan pronto como se volvieron tan asequibles que las familias promedio podían tenerlos, de repente todos comenzaron a comprar computadoras. En lo que respecta a los laboratorios, Proton es el Apple MacIntosh de la tecnología genética; compacto, fácil de usar, una presencia revolucionaria en el mercado, y empaqueta un laboratorio completo de análisis en una pequeña caja.