Leiders in Single Molecule Technology
Ondanks beperkingen in de gevoeligheid, snelheid en de grootte van de verkrijgbare reeks, was de nieuwe sequentiemethode beschreven in PNAS nieuw en toonde voldoende belofte om de aandacht te trekken van venture capitalists die de professor benaderden over het investeren in zijn technologie. Er moet iets met de techniek zijn geweest waar durfkapitaalinvesteerders naar op zoek zijn, want dit was een primeur , volgens een oud personeelslid en Senior Director of Research, Dr. Timothy Harris ... venture-investeerders benaderen gewoonlijk niet de wetenschappers, het is andersom !
De PNAS-publicatie werd vrijgegeven op 1 april 2003, de eerste financieringsronde voor een nieuw bedrijf werd geïnitieerd op 19 december 2003 en op 2 januari 2004 opende Helicos zijn deuren met 5 werknemers, waaronder Dr. Harris, een specialist in meetkunde en single-molecule technologie. Helicos is momenteel gevestigd in Cambridge MA, VS en, na 2 rondes investeringsfinanciering, en vanaf een beursintroductie op 27 mei 2007, wordt het nu openbaar verhandeld onder NASDAQ: HLCS .
Helicos is gespecialiseerd in genetische analysetechnologieën, in het bijzonder een True Single-Molecule Sequencing (tSMS TM ) -technologie, gevalideerd met de sequentiebepaling van het M13-virusgenoom zoals beschreven in Science Magazine in april 2008. Het gespecialiseerde tSMS TM -platform gebruikt de HeliScope TM Single Molecule Sequencer .
Volgens Dr. Harris is dit specifieke project in januari 2004 begonnen en in juni 2005 hadden ze met succes de sequentie bepaald van het M13-virus, een medisch relevante sequentie, beschreven in de Science-paper.
Hoe werkt tSMS TM ?
Een DNA-streng van ongeveer 100-200 basenparen wordt met behulp van restrictie-enzymen in kleinere fragmenten gesneden en polyA- staarten worden toegevoegd. De verkorte strengen worden vervolgens gehybridiseerd met de Helicos-stromingscelplaat, die miljarden polyT- ketens gebonden aan het oppervlak ervan heeft. Elke gehybridiseerde sjabloon wordt in één keer gesequeneerd. Daarom kunnen miljarden per run worden gelezen. Labeling wordt uitgevoerd in "quads" bestaande uit 4 cycli elk, voor elk van de 4 nucleotide basen. Fluorescent-gelabelde bases worden toegevoegd en een laser in het instrument verlicht het label, waarbij wordt gelezen welke strengen die bepaalde gelabelde base hebben opgenomen. Het label wordt vervolgens gesplitst en de volgende cyclus begint met een nieuwe basis. Nadat de stroomcel met elke basis (4 cycli) is behandeld, is de quad voltooid en begint een nieuwe opnieuw met de initiële nucleotidebase.
Momenteel kan de HeliScope TM DNA-fragmenten van ongeveer 55 basenparen lang lezen. Hoe meer basen in de reeks, hoe lager het percentage strengen dat in een monster kan worden gebruikt, omdat sommige strengen tijdens het proces niet langer verlengen.
Voor het lezen van 20 of zo-basen kan ongeveer 86% van de strengen worden gebruikt. Voor langere metingen (55+ basenparen) daalt dit percentage tot ongeveer 50%.
Het voordeel voor één molecuul
Terwijl verschillende andere bedrijven verschillende sequencing-by-synthese technologieën aanbieden met high throughput platforms, verschillende reagentia, tegen vergelijkbare kosten, en voor korte reads van 25-40 basenparen, leest alleen Helicos de DNA-sequentie één nucleotide tegelijk af met hun gepatenteerde labelingstechniek die gevoelig genoeg is om reads op één enkele molecule mogelijk te maken. Andere methoden vereisen dat het DNA wordt geamplificeerd (met behulp van PCR ) om meerdere (miljoenen) kopieën te maken voorafgaand aan de sequencing. Het introduceert het potentieel voor een aanzienlijke mate van onnauwkeurigheid als gevolg van verwerkingsfouten door polymerase- enzymen tijdens amplificatie.
Vanaf april 2008 zou de HeliScopeTM naar verluidt miljarden nucleotide-basen per dag kunnen sequensen.
Helicos is lid van de Personalized Medicine Coalition en heeft subsidie voor '$ 1000 genoom' ontvangen. Het $ 1000-genoom op één dag is een geprojecteerd doel waarvoor de sequencer miljarden bases per uur zou moeten verwerken. Momenteel zou de prototype-sequencer jaren nodig hebben om een volledig genoom te identificeren, wat veel meer zou kosten dan $ 1000.
De toepassingen voor tSMSTM-technologie zijn talrijk, waaronder detectie van genetische varianten bij mensen en andere soorten voor het bepalen van oorzaken van ziekte, antibioticaresistentie in bacteriën, viriliteit in virussen en meer. Het vermogen om een enkel gen zonder amplificatie te detecteren, heeft veel potentiële toepassingen in omgevingsmicrobiologie, omdat genetische technieken vaak worden gebruikt voor het detecteren van levensvatbare, niet-kweekbare micro-organismen of die worden aangetroffen in grond en andere matrices die isolatie door de huidige methoden verhinderen. Bovendien vormt de aard van milieumonsters dikwijls moeilijkheden voor genamplificatie met behulp van PCR, vanwege verontreinigingsproblemen. Deze moeilijkheden zouden echter ook moeten worden overwonnen om de polymerase-enzymen die in tSMSTM worden gebruikt te laten functioneren zonder interferentie.
De theorie achter single-molecule-sequencing is tamelijk eenvoudig en je kunt je afvragen waarom niemand er eerder aan heeft gedacht. Hoewel het eenvoudig genoeg klinkt, zijn er veel technische componenten betrokken bij de ontwikkeling van dergelijke platforms en zijn er tal van uitdagingen om Helicos bezig te houden, inclusief de ontwikkeling van nieuwe chemische reacties en reagentia, platen en high-throughput-lezers. Het vermogen om fluorescentie van een enkel label op een enkele basis te detecteren vereist zeer gevoelige instrumentatie , en de chemie voor het labelen en detecteren van signalen moet precies goed zijn om interferentie te minimaliseren en de betrouwbaarheid van het DNA-polymerase te optimaliseren, aangezien het wordt toegepast op geïmmobiliseerde sjablonen en geëtiketteerd nucleotiden. Dit zijn enkele van de uitdagingen waarmee Helicos wordt geconfronteerd, omdat het deze technologie blijft ontwikkelen in de hoop ooit het $ 1000, 1-daagse menselijke genoom te kunnen afleveren.