Генна машина розміром з коробку

Настільний секвенатор Джонатана Ротберга може здійснити революцію в медицині , харчуванні та енергетиці

Пристрій, у якого є шанс змінити ваше життя , являє собою невелику коробку
60 х 53 х 50 см. Ця штука , розроблена в американському штаті Коннектикут , здатна створити ринок обсягом $ 100 млрд.

На одній стороні ящики – дисплей – тачскрін , на іншій – док -станція для iPhone ( пристрій здатний вантажити дані прямо в цей апарат). Внизу – ряд тестових трубок , маркованих чотирма символами : коло , косий хрест , квадрат і плюс. Вони відповідають чотирьом молекулам , з яких складається ДНК , – гуанін , цитозин , аденін і тимін . 50 Пристрій PGM ( Personal Genome Machine , машина персонального геному ) є найменшим і дешевим секвенатор ДНК , коли-небудь існували на ринку. За дві години воно здатне прочитати 10 млн символів генетичного коду з високим рівнем точності . На відміну від продукції конкурентів воно легко поміщається на столі і коштує в 10 разів менше – всього $ 50 000. Вперше кожен вчений , кожна лікарня або невеликий коледж можуть дозволити собі власний секвенатор . Якщо PGM отримає всі необхідні дозволи і піде у виробництво , його може купити собі ваш сімейний лікар і навіть ви самі.

PGM , винайдений інженером і бізнесменом Джонатаном Ротберг , здатний перетворити медицину , сільське господарство , нанотехнології і навіть пошук альтернативних джерел енергії. Вважається , що секвенування ДНК незабаром дозволить визначати генетичні особливості ракових пухлин і лікувати хворих за допомогою персоналізованих препаратів (це вже відбувається в деяких ракових центрах). Діти , народжені з рідкісними захворюваннями , зможуть отримувати точкове лікування , що знизить можливість помилкових діагнозів і лікування навмання.

За стінами лабораторій , в країнах третього світу , рятувальники будуть за допомогою переносних пристроїв шукати в питній воді мікробів – збудників епідемії. Інженери будуть використовувати секвенатори , щоб конструювати штучні бактерії, здатні виробляти паливо майбутнього. Для фермерів створять сільськогосподарські культури , які швидко ростуть , стійкі до паразитів і посухи і не вимагають багато добрив. « Секвенування вплине на все, – каже Ротберг . – Новий століття буде століттям біології , так само як XX століття було століттям фізики ». Він нагадує , що медична томографія стала ринком на $ 100 млрд : «Я вірю , що секвенування обіцяє не менш ».

Ротберг заснував вже чотири генетичні компанії. Його нинішній стартап Ion Torrent створив PGM через три роки після того , як у Джонатана з’явилася ця ідея . Виробник лабораторного обладнання Life Technologies з річним оборотом $ 3 млрд був настільки вражений пристроєм , що минулої осені придбав компанію Ротберга за $ 375 млн , пообіцявши виплатити ще $ 350 млн при досягненні до 2012 року певних показників .

Існує 6 млрд хімічних символів , які складають подвійну спіраль ДНК. Деякі з них , швидше за все , генетичне сміття , безліч функцій генів ще належить відкрити . Але по ланцюжку ДНК розкидано 20 000 генів , своєрідна рецептурная книга , яка розповідає тілу , як створювати інсулін , мускулатуру , гемоглобін , мозкову тканину , кістки , фактори згортання крові – практично все, з чого складається людина . Один невірний символ , що сховався всередині гена , може підвищити ризик розвитку раку або діабету.

Пошук помилок , які викликають хвороби , і відділення їх від нешкідливих генетичних варіацій – одне з першочергових завдань вчених . Технології, які дозволяють впоратися з нею , розвиваються неймовірними темпами. Урядовим дослідникам знадобилося 10 років і $ 3 млрд , щоб вперше прочитати людський геном (він опублікований в 2001 році ) . Сьогодні можна отримати акуратну послідовність ДНК людини за $ 10 000 і кілька тижнів очікування . «Те , що можливо зараз , ще кілька років тому вважалося немислимим » , – сказав нещодавно директор Національного інституту здоров’я США (NIH ) Френсіс Коллінз.

Незважаючи на потік генетичних досліджень в медичних журналах , більшості вчених до цих пір недоступні технології секвенування ДНК. Існуючі секвенатори схожі на ЕОМ 1960- х років. Вони коштують $ 600 000 , видають результати за тиждень і потребують купі техніків -операторів. Половина з 1400 секвенаторов світу знаходиться в 20 великих академічних та державних центрах.

Апарат Ротберга міг би змінити ситуацію завдяки швидкості аналізу і більш широкому інструментарію . «Попит буде величезним » , – каже дослідник Джонатан Айзен з Каліфорнійського університету. З ним згоден професор Гарварду Джордж Черч , піонер секвенування і консультант Ion Torrent . PGM , говорить він , буде «як iPad для генетиків ». Кожен захоче дістати його , «навіть якщо він буде з вадами ».

Але поки це вельми скромний бізнес. Продажі апаратури для секвенування ДНК науковим лабораторіям становлять $ 1,5 млрд. Медичні тести та інша молекулярна діагностика – ще 2,6 млрд , за оцінками PricewaterhouseCoopers.

Як зробити з бізнесу з оборотом $ 4 млрд бізнес на $ 100 млрд ? У відповіді Ротберг знову згадує томографію : як тільки секвенування стане медичним мейнстрімом , з’являться армії терапевтів , навчені і оснащені недорогий апаратурою для генних досліджень .

Ось деякі припущення – дуже приблизні – про те , що може статися за 20 років .

У найближчій перспективі найбільшим ринком стане онкологія . Сьогодні лікування хворого на рак обходиться в сотні тисяч , іноді мільйони доларів. Деякі пацієнти з раком грудей вже пройшли спеціалізовані тести , які допомагають визначити , яке лікування застосовно саме для них. Якщо схожі тести стануть рутиною для 4 млн ракових хворих в США і Європі , як припускають багато онкологи , тільки одне це напрямок може стати ринком з оборотом $ 20 млрд. Деяких пацієнтів можна сканувати кілька разів. Виходить $ 40 млрд.

Другий ринок в $ 10 млрд може з’явитися в результаті операцій по скануванню дітей і дорослих з симптомами рідкісних спадкових захворювань або іншими генетичними факторами ризику. Необхідність інтерпретувати складні дані , одержувані секвенатор , може породити окремий напрямок в медицині. Це ще $ 10 млрд. Ось вам вже $ 60 млрд.

Відстеження розвитку інфекцій у лікарнях , аеропортах та інших громадських місцях , наприклад у торговельних центрах , необхідно для ідентифікації мікроба і запобігання епідемій. Це виллється в нову галузь обсягом $ 10 млрд. Загальний рахунок: $ 70 млрд.

Якщо ціни впадуть досить низько , велика кількість людей захочуть розшифрувати свій геном – або ДНК своїх новонароджених дітей – в якості профілактичного заходу . Якщо 50 млн осіб на рік віддадуть $ 2000 за тест , сума досягне $ 80 млрд.

Додамо ринок секвенування в сільському господарстві , що дозволяє покращувати селекцію домашньої худоби і зерна. Це може коштувати до $ 5 млрд. Разом: $ 85 млрд.

Інші напрямки , наприклад пошук біопалива , створення нових ферментів для чистячих засобів і багато іншого , про що сьогодні навіть не думають , можуть з часом легко додати ще $ 15 млрд. І ось вже $ 100 млрд.

Це , звичайно , оптимістичний сценарій. Як і всі потенційно революційні інновації , масове секвенування ДНК може просто провалитися . Його успіх залежить від непередбачуваних елементів : наскільки швидко будуть розвиватися технології , як скоро дослідники здійснять гучні відкриття з використанням нових пристроїв і – простір для скептиків – коли розроблять нові ліки , здатні лікувати хвороби на основі відкритих даних. Ціна генного тесту може знизитися і стати малоприбутковою повсякденністю , як аналіз крові.

На ринку секвенування домінує Illumina , міжнародна компанія зі штаб -квартирою в Каліфорнії. Змагання з нею буде нелегким. Щонайменше дюжина компаній претендує на роль лідера . Pacific Biosciences ( ще одна каліфорнійська фірма ) залучила $ 200 млн у ході первинного розміщення в жовтні – на додачу до $ 370 млн венчурного фінансування. Їх апарат повинен з’явитися на початку 2011 року і буде першим , здатним сканувати одиночну молекулу ДНК. Компанія Complete Genomics ( в ході листопадового IPO залучила $ 90 млн ) ставить на те , що сканування ДНК стане сервісної індустрією : всі зразки будуть надсилатися в гігантські централізовані лабораторії.

Як у перших персональних комп’ютерів , у апарату Ротберга є суттєві обмеження. Він не зможе відразу ж змагатися з монстрами з Illumina через невисоку швидкості роботи. Перша версія PGM може зчитувати тільки 20 генів за раз. Цього достатньо для безлічі невеликих робіт , наприклад , коли лікарю необхідно протестувати пухлина на кількість генів , що викликають хворобу , або визначити , чи буде те чи інше ліки працювати проти конкретної пухлини. Або, приміром , якщо досліднику інфекційних захворювань знадобиться перевірити , який варіант мікроба присутній у зразку слини або джерелі водопостачання.

Генеральний директор Illumina Джей Флетлі вважає , що PGM не представляє для них загрози . Його апаратура здатна прораховувати в тисячі разів більші обсяги інформації , ніж PGM . Команда Флетлі працює над багатьма новітніми технологіями , які можуть зробити Ion Torrent вчорашнім днем. У січні Illumina анонсувала вихід нового секвенатор MiSeq , який буде коштувати всього $ 125 000 і працювати майже так само швидко , як PGM .

Головна надія Ротберга – масштабованість його технології . Ротберг стверджує , що нова версія апарату , яку чекають до літа 2011 року, буде в 10 разів могутніше оригіналу. Він обіцяє побудувати до 2012 року машину , яка буде здатна за дві години розшифрувати всі 20 000 людських генів , що кодують білки. ( Це приблизно 3% всієї ДНК , але ще далеко до Illumina , яка може прочитати всю ДНК двічі. ) В остаточному підсумку він сподівається створити машину розміром з iPad . «Не існує технології , яку ми не обійшли б в самий короткий термін – стверджує він. – Неважливо , як далеко попереду вона знаходиться ».

Чотирнадцятилітня дочка Ротберга , старша з п’яти дітей , страждає від середньої форми успадкованого захворювання під назвою бугорчатий склероз ( tuberous sclerosis complex ) , порівняно рідкісного порушення ( від нього страждають приблизно 50 000 американців) , яке може викликати доброякісні пухлини на серці, нирках , шкірі, легенях , очах і в мозку. « У всі часи будь-які мотивації були особистими , – каже Ротберг , – тому що ми всі хочемо допомогти коханим людям ». І додає: «Якби це було інтелектуальна вправа , моя компанія зараз створювала б штучне життя ».

Ротберг виріс у місті Нью – Хейвен , штат Коннектикут , в сім’ї бізнесменів , пов’язаних з наукою. Його батько , інженер- хімік , володіє компанією, що виробляє високопродуктивний клей для укладання черепиці і плитки. Ще дитиною Джонатан брав участь у роботі батька. У Коледжі Карнегі – Меллон , де він вивчав хімічну технологію , він обожнював Стіва Джобса і часто слухав його виступи . Він до цих пір зберігає один з номерів журналу Time 1982 із засновником Apple на обкладинці.

Джонатан заснував свою першу компанію Curagen в підвалі власного будинку в 1991 році відразу після того , як отримав ступінь доктора біохімії в Єльському університеті . Це була одна з перших біотехнічних фірм , автоматизований пошук нових генів за допомогою роботів і легко повторюваних експериментів .

Curagen вийшла на IPO в 1999 році. До наступного року вона досягла капіталізації $ 5 млрд – більше, ніж American Airlines . У 2001 -му Curagen уклала одну з найбільших для галузі угод того часу – угоду на $ 1,5 млрд із компанією Bayer на розробку ліків проти ожиріння і діабету .

Як і більшість амбітних конкурентів , Curagen виявилася не надто успішна . Провідне напрям , виробництво ліків проти побічних ефектів хіміотерапії , не дало результатів , як і угоду з Bayer . Інвестори почали йти . Ротберг вийшов з бізнесу в 2004 році. У 2009-му розробник ліків Celldex Therapeutics з Нідхема , штат Массачусетс , купив залишки Curagen всього за $ 95 млн.

Ще працюючи в Curagen , Ротберг зрозумів : для того щоб зробити генетичну медицину реальністю , необхідна технологія наступного покоління. Коли в 1999 році народився Ноа , його друга дитина – через проблеми з диханням хлопчика довелося перевести у відділення інтенсивної терапії для новонароджених. Ноа поправився , але Ротберг задумався над тим , що у лікарів не було обладнання для швидкого тесту , щоб діагностувати успадковане захворювання . Сидячи в коридорі лікарні , він думав над схожістю між генним скануванням і мікроелектронікою . Його дружину призводило в сказ те, що більшу частину часу він присвячував не піклуючись про дитину , а роботи над новою технологією , яка використовувала ферменти світляків, щоб читати ДНК.

Ця ідея перетворилася на 454 Life Sciences , дочірню компанію Curagen , яку Ротберг створив для розробки свого нового пристрою. Він залишився вірним 454 навіть після того , як покинув Curagen , оголосивши в 2005 році , що використовує машину для секвенування генома відкривача ДНК Джеймса Уотсона всього за $ 1 млн – набагато дешевше , ніж це вдавалося раніше. У 2007 році проект був успішно завершений без перевищення кошторису. До того часу Ротберг втратив контроль над компанією 454. Curagen продала її компанії Roche в тому ж 2007 -му за $ 140 млн. Дітище Ротберга все ще присутня на ринку , але його перевершили машини конкуруючої Illumina .

Сам Ротберг виявився непорушний. Важко сказати , чи є 8- футові пластини , зроблені з 700 т норвезького граніту , які він нещодавно встановив на своєму задньому дворі , пам’ятником Стоунхенджу або його власним упертості . Сусіди ненавидять цей « Цикл життя » , як вони називають скульптуру. «Я нічого не роблю на зло» , – каже Ротберг .

До створення Ion Torrent привів розмову з сином Ноєм в 2007 році. Не по роках розвинутий восьмирічна дитина попросив батька винайти машину , здатну читати думки . Ротберг , звертаючись до хлопчика як до рівного , відповів , що найкраще для цього підійде маленький хімічний сенсор , який міг би зчитувати сигнали , які передаються від клітини до клітини в мозку. Поступово до Ротберга дійшло , що подібний сенсор можна використовувати для секвенування ДНК.

Більшість існуючих ДНК – секвенаторов (включаючи машину 454 ) працюють за такою схемою : вони прикріплюють виробляє світло молекулу до ДНК , роблять знімки і аналізують отримане зображення . Подібна оптична технологія вимагає складних камер і робототехніки та роботи з величезними файлами із зображеннями.

Елегантне рішення Ротберга полягало в тому , що він взяв сенсори , які безпосередньо зчитують електричний сигнал , вироблений ДНК під час копіювання самої себе. Це надзвичайно спрощує процес і дозволяє інженерам споруджувати машини за набагато менші гроші. У 2007 році він заснував Ion Torrent , вклавши в неї свої заощадження і пізніше додавши $ 23 млн венчурного капіталу . Все ще засмучуючись через втрату 454 , на цей раз він переконався , що йому належить більшість голосуючих акцій і його неможливо випхати з компанії.

Серце PGM – чіп з 21 млн транзисторів ( стільки було в персональних комп’ютерах в 1995 ) . Поверх чіпа проходить маленький канал товщиною в два людські волосини , в який поступає ДНК. Кожна молекула ДНК в тілі людини містить дві довгі ланцюжки хімічних символів , або підстав , – A , T , C і G , які переплітаються , утворюючи подвійну спіраль. Машина бере одинарну ланцюжок ДНК і добудовує її , підстава за підставою . Кожен раз, коли фермент з’єднує дві підстави – ​​А з Т або С з G , – випускається електрично заряджений іон , який виявляють сенсори машини. Підставляючи до зразка ДНК по одному нуклеотиду в одиницю часу , машина може вибудувати весь ланцюжок .

Сьогодні всі секвенатори схвалені тільки для використання у дослідницьких цілях, але лікарі все одно намагаються застосовувати їх у клінічній практиці. Гордон Міллз , глава відділення молекулярної терапії у Раковому центрі Андерсена в Х’юстоні , запускає проект з секвенування 1000 генів , які можуть служити мішенями для лікарських препаратів проти раку у 10 000 пацієнтів. Він хоче зрозуміти , чи допоможе це хворим , і заодно спробувати подолати бар’єри , встановлені програмою Medicare і Управлінням з контролю якості продуктів і ліків США ( FDA) .

Лікарі вже використовують генетичні мутації в зухвалій СНІД вірусі імунодефіциту , щоб передбачити, яким ліків вірус зможе протистояти. Вони завжди шукають кращі способи з’ясувати це , і PGM може допомогти їм , каже Ротберг .

Він стверджує , що його наступний пристрій , яке з’явиться через півроку , зможе обробляти 200 або більше генів за раз. Цього вистачить онкологам для того , щоб встановлювати діагноз і підбирати ліки. Це саме те , що сподівається довести фахівець Массачусетського госпіталю Джон Іефрейт , який отримав сканер безкоштовно – в якості призу у змаганні , проведеному Ion Torrent на підтримку інтересу до своєї технології .

Існує багато способів застосування PGM і крім онкології. Оскільки Ротберг і його дружина – євреї ашкеназі , їм порадили , перш ніж заводити дітей , пройти 15 генетичних тестів.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий

Вы должны быть авторизованы, чтобы разместить комментарий.