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Genomica hi-tech: Oxford Nanopore presenta il primo sequenziatore usa e getta

La genomica non finisce mai di stupire, soprattutto quando si parla di nuove tecnologie. Tutti ci aspettavamo grandi novità dal meeting AGBT di Marco Island, in Florida, ma sinceramente credo che nessuno si aspettasse di assistere alla presentazione di un sequenziatore di DNA USB. Sì, avete capito bene. L’azienda inglese Oxford Nanopore ha annunciato che nei prossimi mesi metterà in vendita un sequenziatore usa e getta poco più grande di una chiavetta USB, che collegato a un pc portatile potrà sequenziare del materiale genetico e in tempo reale trasmettere i dati a un software installato sul computer. L’ultimo prodigio della tecnologia genomica si chiama MinION, e nel weekend appena trascorso non si è parlato d’altro: ne hanno tessuto le lodi Nature, Forbes, Bio-IT World, New Scientist oltre a diversi blog specialistici.

Oxford Nanopore era rimasta stranamente silenziosa negli ultimi tempi, al contrario di altre aziende concorrenti che invece facevano proclami da prima pagina. Oggi però non ce n’è per nessuno: sì, perché oltre al MinION, la società inglese guidata da Clive Brown ha in serbo il GridION, che è un po’ il fratello maggiore del mini sequenziatore USB. Le specifiche tecniche di entrambi gli strumenti sono impressionanti per almeno tre motivi. Il primo è che la tecnologia di Oxford Nanopore consente di leggere sequenze di DNA lunghissime, fino a 100mila nucleotidi: il team britannico è riuscito a sequenziare il genoma del virus Phi X, che è lungo 5400 nucleotidi, con una sola lettura senza interruzioni. Il secondo punto di forza dei sequenziatori di Oxford Nanopore è la semplicità nella preparazione del campione, un vantaggio notevole rispetto alle altre tecnologie attualmente sul mercato (non è nemmeno necessario amplificare il DNA). Infine, non bisogna dimenticare che queste macchine sono in grado di riconoscere anche le modificazioni epigenetiche del DNA.

I due sequenziatori sono stati concepiti per usi differenti. MinION si presta molto bene per sequenziare in tempi rapidissimi genomi batterici o virali, oppure per caratterizzare campioni di tessuti tumorali. Avrà infatti una produttività limitata (150 milioni di basi all’ora per un massimo di sei ore), ma sufficiente per applicazioni nella diagnostica, nelle analisi forensi o in campo ecologico. GridION finirà sicuramente nei grossi centri di sequenziamento, che potranno sfruttare la sua scalabilità: più sequenziatori possono infatti essere collegati insieme, e lavorare in parallelo. Per quanto riguarda i prezzi, MinION sarà usa e getta e costerà dai 500 ai 900 dollari. GridION invece non ha ancora un prezzo, ma secondo i produttori leggere un miliardo di basi di DNA costerà meno di 10 dollari. L’unica cosa su cui Oxford Nanopore deve ancora lavorare è l’accuratezza della lettura: al momento il tasso di errore è del 4%, ma quando i sequenziatori arriveranno sul mercato nella seconda metà del 2012 questa percentuale sarà scesa sotto l’1%.

L’idea di sequenziare il DNA facendolo passare attraverso dei pori di pochi nanometri circola nell’ambiente dagli anni 90, ma MinION e GridION sono i primi strumenti che mettono finalmente in pratica questa idea. Ovviamente gli unici a non essere entusiasti di questo annuncio sono le aziende rivali, specialmente Life Technologies e Illumina: la prima teme che il suo mirabolante Ion Proton presentato poche settimane fa sia già stato dimenticato, la seconda invece assiste con disappunto all’ingresso sul mercato di un nuovo agguerritissimo concorrente, che ambisce a portarle via la quota di mercato che si era faticosamente conquistata negli ultimi cinque anni. Le due società hanno accusato il colpo, lo dimostrano il -6% e il -3% che hanno registrato le loro azioni in borsa in seguito all’annuncio di Oxford Nanopore.

Stiamo assistendo a una nuova rivoluzione nel campo del sequenziamento genomico dopo quella del 2005, e curiosamente i protagonisti sono sempre gli stessi. Il primo è l’attuale CEO di Ion Torrent, Jonathan Rothberg, il secondo è il CTO di Oxford Nanopore, Clive Brown. Qualche anno fa Rothberg inventava la tecnologia 454, che segnava la fine dell’era Sanger e apriva la strada ai sequenziatori di seconda generazione. Brown, invece, lavorava per Solexa/Illumina, azienda che oggi domina quel mercato inaugurato proprio dall’invenzione di Rothberg. Oggi, a distanza di pochi anni, il duello si ripropone: ancora una volta è stato Rothberg a fare la prima mossa, presentando il primo sequenziatore in grado di leggere un genoma umano per soli mille dollari. Ma anche questa volta Rothberg rischia di essere beffato, e sempre per colpa di Clive Brown.

 
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Pubblicato da su 20 febbraio 2012 in Business, Tecnologia

 

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Galaxy Cloud: la bioinformatica a portata di click

ResearchBlogging.orgLe tecnologie per il sequenziamento genomico sono migliorate in modo impressionante negli ultimi anni, è un fatto ormai noto a chiunque lavori in ambito scientifico: si è passati dal metodo Sanger al sequenziamento di seconda generazione e infine, proprio in questi mesi, alle macchine di terza generazione. Le specifiche tecniche sono strabilianti, è possibile ottenere in poco tempo e a basso costo una sequenza genomica di qualità elevatissima. L’aspetto che molti si dimenticano spesso di sottolineare, però, è che a questa enorme produzione di dati non corrisponde un’altrettanto straordinaria capacità di immagazzinarli, e soprattutto di analizzarli.

Con il crollo dei costi, sempre più laboratori – anche di piccole dimensioni – decidono di acquistare un sequenziatore di DNA per produrre in casa i dati, ma quando arriva il momento di dare a queste sequenze un significato biologico iniziano i problemi. Il primo problema è il software: la tecnologia cambia rapidamente, le esigenze di analisi sono differenti e non sempre esiste un programma bell’e pronto che consenta di eseguire l’analisi richiesta agevolmente. Molto spesso i bioinformatici sono costretti a setacciare la rete alla ricerca del software giusto, poi devono ottimizzarlo per lo specifico lavoro da svolgere e infine perdere tempo a modificare il formato dei propri file affinché siano “digeribili” dal programma. Per non parlare di quando non esiste nessun software che esegua l’analisi che vi interessa nel modo in cui serve a voi, con il tipo di organismo che serve a voi e la tipologia di dati che voi avete a disposizione: in quel caso il bioinformatico sfodera le sue competenze di programmatore e si fabbrica da solo il tool tanto desiderato. Insomma, se pensate che per analizzare una sequenza genomica basti premere un pulsante sulla tastiera del vostro portatile, vi sbagliate di grosso.

Il secondo scoglio in cui ci si imbatte quando si devono analizzare dati genomici è l’hardware. E’ una questione molto seria, specialmente quando la deve affrontare un piccolo laboratorio, che certamente non ha a disposizione infrastrutture informatiche fantascientifiche. Lo spazio occupato da questo tipo di dati è nell’ordine dei terabyte (1 tera sono più o meno 1000 giga), e la potenza computazionale necessaria per analizzarli in un tempo accettabile non è quella in dotazione a un normale computer. Se si vuole fare proprio tutto da sé, quindi, è inevitabile acquistare server costosi e assicurarsi di avere personale specializzato che faccia regolare manutenzione e risolva prontamente qualsiasi problema tecnico.

Fortunatamente, c’è qualcuno che ha ben presenti tutte queste difficoltà e si sta impegnando a fondo per ridimensionare – se non eliminare – questi problemi: sono Anton Nekrutenko, professore alla Penn State University, e il suo team. Nel 2005 hanno lavorato per risolvere la questione software e hanno realizzato Galaxy, una piattaforma che raccoglie tutti i principali tool di analisi in unico sito web dall’interfaccia user-friendly. Si può scaricare il software sul proprio PC oppure lanciare le analisi sui computer dell’università americana. E’ gratis e può contare su una comunità di sviluppatori che aggiunge continuamente nuove funzionalità. Ora il team di Nekrutenko fa un altro salto di qualità, portando Galaxy nel mondo del cloud computing. I vantaggi sono notevoli: le risorse computazionali a disposizione del singolo utente diventano pressoché illimitate, e si ha la garanzia che i propri dati siano conservati in un luogo sicuro.

“Galaxy Cloud offre molti vantaggi oltre a quelli più ovvi, come la potenza computazionale necessaria per grandi quantità di dati e la possibilità per uno scienziato con poca esperienza informatica di cimentarsi in analisi complesse, che sarebbero altrimenti inaccessibili” ha dichiarato Nekrutenko. “Ad esempio, i gruppi di ricerca non devono più investire denaro in costose infrastrutture informatiche per poter eseguire, su grandi moli di dati, analisi scientifiche sofisticate“. Un altro punto di forza è l’allocazione automatica delle risorse disponibili nel cloud, gestita dal sistema CloudMan, che rende rapide ed economiche le analisi. In una lettera a Nature Biotechnology, gli autori dimostrano che impostando la funzione autoscaling di CloudMan è possibile svolgere un’analisi nello stesso tempo (6 ore), spendendo 20 dollari invece di 50. Per usare Galaxy Cloud non avete bisogno né di grossi server, né di ingegneri informatici: tutto ciò che vi serve è il vostro browser.


Afgan, E., Baker, D., Coraor, N., Goto, H., Paul, I., Makova, K., Nekrutenko, A., & Taylor, J. (2011). Harnessing cloud computing with Galaxy Cloud Nature Biotechnology, 29 (11), 972-974 DOI: 10.1038/nbt.2028

 
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Pubblicato da su 10 novembre 2011 in Scienza, Tecnologia

 

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La chimica del sequenziamento: passato, presente e futuro

Come molti di voi sapranno, il 2011 è stato proclamato dall’ONU l’Anno Internazionale della Chimica. La chimica è la scienza centrale, quella che più di ogni altra ha la capacità di guidare il progresso scientifico, grazie alle sue innumerevoli connessioni con la biologia, la fisica, la medicina e chi più ne ha più ne metta. Ho voluto renderle omaggio anche io, scrivendo questo post che partecipa al Carnevale della Chimica coordinato per questo mese da Anna Rita Ruberto di Scientificando.

IL DNA

Il DNA (o acido deossiribonucleico) è una molecola che ha l’aspetto di una doppia elica formata da due catene di nucleotidi. I nucleotidi sono piccole molecole costituite da un gruppo fosfato, uno zucchero (deossiribosio) e una base azotata; mentre le prime due componenti sono sempre uguali e costituiscono l’ossatura della doppia elica, le basi azotate esistono in quattro “versioni” differenti. Esse si chiamano Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G) e Timina (T), e godono di una proprietà importante: la complementarietà. In una molecola di DNA, una A si troverà sempre davanti a una T, così come una C si troverà sempre davanti a una G: questo significa che per leggere una sequenza di DNA non è necessario sequenziare entrambi i filamenti, basta avere uno dei due e quello complementare si potrà ricavare facilmente. E’ proprio sfruttando la proprietà della complementarietà che la DNA polimerasi riesce a replicare le molecole di DNA nel momento in cui è necessario, e cioè quando la cellula deve dividersi per generare due cellule figlie con identico patrimonio genetico: utilizzando un filamento come stampo e un piccolo tratto di DNA come innesco, questo enzima è in grado di sintetizzare l’altro filamento legando uno dietro l’altro i nucleotidi corretti.

IL METODO SANGER

A Frederick Sanger bastò osservare la DNA polimerasi all’opera per capire come sviluppare il primo metodo per sequenziare il DNA. L’unico ingrediente che dovette aggiungere furono dei nucleotidi particolari, chiamati dideossinucleotidi: queste molecole hanno una modifica chimica tale per cui, una volta inserite nella catena nascente di DNA, ne interrompono la sintesi. La polimerasi non riesce più ad aggiungere altri nucleotidi, e rilascia così un frammento “monco”. A questo punto bisognava fare due cose: misurare la lunghezza di questo frammento e riconoscere il dideossinucleotide che si era legato per ultimo. Con queste due informazioni in mano leggere la sequenza è immediato: se ho ottenuto un frammento lungo 10 nucleotidi dove l’ultimo nucleotide aggiunto è una G, io so che in 10° posizione c’è una G. Un tempo per fare questo si eseguivano sullo stesso DNA quattro reazioni separate, per ognuna delle quali si utilizzava un dideossinucleotide diverso: ddATP, ddCTP, ddGTP e ddTTP. Al termine della reazione, si prendevano i frammenti generati da ogni reazione e li si misurava mediante un’elettroforesi su gel: in questo gel, le molecole più lunghe si muovono più lentamente e tutti i frammenti possono quindi essere separati. Al termine, si ricostruiva la sequenza. Con l’avvento dei sequenziatori automatici, si è iniziato a fare tutto in un’unica miscela di reazione, etichettando ogni base azotata con una molecola fluorescente di colore diverso; inoltre, i frammenti si separano in tubi capillari, con un lettore ottico che registra il colore emesso dal DNA al suo passaggio.

L’invenzione di questo metodo di sequenziamento ha segnato una svolta epocale nel campo della biologia molecolare e lo dimostra il fatto che Fred Sanger ricevette per questo motivo un premio Nobel per la Chimica nel 1980. Tuttavia, occorre molto tempo per sequenziare in questo modo lunghi tratti di DNA: per leggere un intero genoma umano sarebbero necessari più di tre anni di lavoro! Inoltre, è una tecnica molto costosa: si spendono 10 centesimi di dollaro ogni mille basi. Per questi motivi si è passati ora a tecnologie di sequenziamento molto più efficienti ed economiche, le cosiddette tecnologie di seconda generazione.

MONTAGNE DI DATI

Le nuove macchine iniziarono a popolare il mercato dal 2005 in poi, offrendo costi minori e soprattutto enormi quantità di sequenze, vere e proprie montagne di dati che per un sequenziatore Sanger erano inimmaginabili. A farsi concorrenza c’erano diverse aziende, ma a spuntarla fu Illumina/Solexa, che conquistò rapidamente il ruolo di leader nel settore del sequenziamento genomico. I suoi sequenziatori sfruttavano ancora la DNA polimerasi come nella tecnologia precedente, ma introducevano due accorgimenti tecnici che facevano la differenza. Il primo è l’immobilizzazione del DNA su un supporto fisso: le molecole da sequenziare sono infatti incollate a un vetrino tramite degli adattatori. Questo permette di leggere milioni di frammenti di DNA contemporaneamente, perché ciascuno di essi viene a trovarsi in un punto preciso e non si può confondere con gli altri. La seconda, importantissima novità sono i terminatori reversibili. Nel metodo Sanger i nucleotidi modificati bloccavano la sintesi del DNA in modo irreversibile, mentre quelli di Illumina possono essere riattivati, grazie all’azione di un enzima che taglia via la parte di molecola che blocca il lavoro della DNA polimerasi. In questo modo, è possibile monitorare in tempo reale l’aggiunta di tutti i nucleotidi su ogni frammento, fotografando le fluorescenze emesse a ogni passaggio da tutte le molecole di DNA depositate sul vetrino.

I due grandi rivali di Solexa/Illumina erano, e sono tuttora, ABI/Solid e Roche/454. Le loro tecnologie sono molto diverse, e la prima grossa differenza è che entrambe queste aziende hanno scelto di immobilizzare le molecole di DNA non su un supporto solido, ma su delle piccole sfere, a loro volta poste su un vetrino. ABI/SOLiD ha persino abbandonato la DNA polimerasi per passare a un altro enzima, la DNA ligasi, che unisce frammenti di DNA anziché sintetizzarne di nuovi. Inoltre, ha elaborato un sistema di sequenziamento che consente di leggere due volte lo stesso nucleotide, il che abbassa di molto la possibilità di commettere errori.

Roche/454, dal canto suo, non utilizza più i nucleotidi fluorescenti, ma sfrutta un prodotto di scarto della polimerasi (il pirofosfato inorganico PPi) per generare dei flash di luce ogni volta che un nucleotide nuovo viene aggiunto. Il trucco è dare il PPi in pasto a una sulfurilasi, un enzima che lo utilizza per generare una molecola di ATP; a sua volta, l’ATP viene prelevato da una luciferasi che lo usa per ossidare una luciferina e produrre un segnale luminoso. Poiché questo segnale è sempre uguale per tutti i nucleotidi, essi devono essere immessi nel sistema un tipo alla volta: prima le A, poi le C e così via.

Gli incredibili progressi tecnologici e l’utilizzo di nuove chimiche di sequenziamento hanno permesso di fare grandi scoperte scientifiche sul nostro genoma, scoperte che presto ci saranno utili per avere cure personalizzate in base al nostro profilo genetico. Il bello, però, deve ancora arrivare. E arriverà con i sequenziatori di terza generazione, che pur essendo poco più che prototipi, promettono già grandissime cose.

IL SEQUENZIAMENTO DEL FUTURO

I prossimi anni vedranno sicuramente una nuova rivoluzione nel campo del sequenziamento, ma ancora non è chiaro se a portarla saranno macchine sempre più costose e potenti o piccoli strumenti low-cost grandi come una stampante, capaci di entrare con più facilità nella pratica medica di routine.

La prima strada è quella scelta da Pacific Biosciences, che sta mettendo a punto un sequenziatore mostruoso da 700mila dollari. Il suo punto di forza è essenzialmente uno solo: la capacità di sequenziare singole molecole di DNA. Nelle tecnologie precedenti, infatti, bisognava moltiplicare i frammenti per avere gruppi di molecole tutte uguali da sequenziare: solo così il segnale fluorescente era sufficientemente potente per poter essere visualizzabile dal lettore ottico. Riuscire a leggere una singola molecola di DNA, monitorando in tempo reale l’aggiunta dei nucleotidi, significa poter usare piccole quantità di DNA e risparmiare moltissimi soldi sui reagenti.

Altre due compagnie, invece, hanno deciso di abbandonare del tutto molecole fluorescenti e costosissimi lettori ottici. Ion Torrent ha messo in vendita un sequenziatore piccolissimo, che costa un decimo di quello di Pacific Biosciences: la sua peculiarità è che registra gli inserimenti dei nucleotidi misurando le variazioni di pH durante il sequenziamento.

Oxford Nanopore, al contrario, dice di essere in grado di leggere una sequenza di DNA basandosi sui cambiamenti nel flusso di corrente che attraversa dei fori di pochi nanometri, cambiamenti che sono caratteristici dello specifico nucleotide che viene aggiunto alla catena.

Il costo per sequenziare un genoma umano è diminuito di un milione di volte in dieci anni, e forse presto taglieremo il traguardo dei mille dollari. Arriverà il giorno in cui ci presenteremo dal nostro medico di fiducia con una chiavetta USB contenente i nostri dati genetici: grazie a queste informazioni conosceremo i farmaci più efficaci per noi e lo stile di vita che ci aiuterà a restare sani più a lungo. Non sappiamo quando entreremo veramente nell’era della medicina genomica, ma quando quel momento arriverà, il merito sarà anche degli incredibili progressi fatti negli ultimi anni dalla chimica del sequenziamento, un’altra delle infinite declinazioni della scienza di tutte le scienze, la Scienza Centrale.

 
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Pubblicato da su 15 febbraio 2011 in Scienza, Tecnologia

 

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Aziende di genomica in Italia – IGA Technology Services (Udine)

L’ultimo appuntamento del 2010 con le aziende di genomica italiane ci fa conoscere la IGA Technology Services, spinoff dell’Istituto di Genomica Applicata di Udine. L’azienda ha ereditato le competenze dell’istituto friulano che da anni si occupa con successo di genomi vegetali, integrandole con tecnologie di sequenziamento di nuova generazione (è stato appena installato un HiSeq 2000 della Illumina). Risponde alle domande di myGenomix la dott.ssa Federica Cattonaro (l’ultima a destra nella foto).

IGA Technology Services ha da poco compiuto un anno di vita. Come giudica la partenza della vostra azienda?
Siamo piuttosto contenti perchè il fatturato del primo anno è stato al di sopra delle nostre aspettative. Ci aspettiamo una notevole crescita del fatturato l’anno prossimo visti i notevoli investimenti che abbiamo fatto nel 2010 per l’acquisto dei macchinari. Questo anche per far fronte alle aspettative del proprietario unico, l’Istituto fondatore (IGA, Istituto di Genomica Applicata), che non avendo alcun tipo di finanziamento strutturale ma vivendo interamente su soft money conta molto sui profitti di IGA Technology Services per far fronte alle proprie spese fisse.

Quali sono precisamente i servizi che offrite, e a chi vi rivolgete?
Offriamo servizi di sequenziamento e risequenziamento sugli strumenti Illumina Genome Analyzer Iix e HiSeq2000. Con queste piattaforme tecnologiche possiamo sequenziare genomi interi o porzioni di essi, ad esempio utilizzando tecnologie di cattura di porzioni del genoma in liquido, ma anche RNA per analizzare l’intero trascrittoma di un organismo o per identificare quella particolare famiglia di RNA non codificanti come gli RNA piccoli (smallRNA) che ha importanti funzioni nella regolazione dei geni. Inoltre con questi strumenti è possibile studiare epigenomi individuali genome-wide, cioè studiare quell’insieme di alterazioni che il genoma subisce, senza che la sequenza di DNA venga modificata. Offriamo ancora servizi di sequenziamento Sanger su sequenziatori ad alta processività per un minimo numero di 48 campioni processabili per volta e altre applicazioni che ancora prevedono l’utilizzo di sequenziatori capillari quali la genotipizzazione di microsatelliti e la costruzione di mappe fisiche di genomi soprattutto di vegetali. Annesse alle applicazioni di sequenziamento e risequenziamento forniamo poi il supporto bioinformatico per aiutare il cliente nell’analisi dei dati. Cerchiamo il più possibile quindi di fornire al cliente un servizio completo dalla preparazione del campione al dato analizzato. Vogliamo arrivare ad un modello in cui il cliente che ci affida uno studio deve intervenire sempre meno nel processo di produzione ed analisi dei dati e può partire da ciò che gli forniamo direttamente a fare la ricerca biologica di suo interesse. Questo dovrebbe consentire di rendere disponibili queste tecnologie che promettono di rivoluzionare la ricerca biologica anche a persone che non sono esperte di genomica o bioinformatica. I nostri clienti sono una settantina tra laboratori universitari, istituti di ricerca, ospedali europei e extraeuropei.

Siete certificati come Service Provider Illumina per il sequenziamento. Che cosa significa?
Essere Service Provider Illumina significa aver superato un rigoroso test di certificazione eseguito da Illumina, che ha prevvisto la richiesta di analizzare una certa quantità di dati già prodotta presso di noi, verifiche scritte riguardanti la gestione della macchina, dei campioni e della pipeline bioinformatica, una corsa di sequenziamento test su loro materiale al fine di verificare che la qualità dei dati prodotti rispettasse gli standard Illumina e infine un audit on-site. Siamo al momento gli unici in Italia ad essere entrati nel ristretto circuito dei CSPro Illumina per il sequenziamento.

Con l’avvento delle nuove tecnologie di sequenziamento, che vantaggi offre il metodo Sanger tradizionale per un’azienda di servizi come la vostra? Lo utilizzate spesso?
Abbiamo ancora richieste di sequenziamento Sanger soprattutto da ospedali e qualche università. Rimarrà ancora attuale per qualche anno nella diagnostica umana, che rispetto a qualche anno fa, adesso utilizza il sequenziamento come metodo diagostico in modo più diffuso.

Che progetti avete in atto per quanto riguarda la genomica umana?
Abbiamo svolto al momento delle commesse di risequenziamento dell’esoma umano mediante tecnologie di cattura di porzioni del genoma, su pazienti affetti da malattie neurologiche e su tumori. Abbiamo poi avuto una interessante collaborazione con gli Ospedali Riuniti di Bergamo sulla cardiomiopatia ipertrofica: con loro siamo stati i primi in Italia a utilizzare un kit custom per la cattura di specifiche regioni esoniche umane implicate in questa malattia. In campo umano ci piacerebbe partecipare a qualche progetto di risequenziamento di più ampia portata, mettendoci la nostra competenza tecnica e la nostra capacità di produzione dati, adesso pari a 40 miliardi di paia di basi/giorno.

Avete recentemente acquistato un sequenziatore di nuovissima generazione, l’HiSeq 2000 della Illumina. Cosa offre alla vostra azienda il nuovo arrivato?
Da gennaio 2011 sarà finalmente attivo, l’installazione è stata portata a termine la settimana scorsa. Con questo strumento saremo in grado di offrire servizi a più basso costo rispetto a quelli offerti finora con il GAIIx. Puntiamo inoltre a ottenere commesse più grosse, in particolare progetti di sequenziamento completi e a partecipare come PMI a bandi di ricerca in ambito EU.

Avete una grande esperienza nel campo della genomica vegetale. Quali sono i vantaggi e gli svantaggi di studiare le piante, rispetto alla genomica umana e animale?
L’istituto che controlla la società, l’Istituto di Genomica Applicata (IGA) è effettivamente dedito alla ricerca nel campo delle genomica vegetale e quindi, essendo la società una emanazione commerciale di questo istituto, le competenze vengono naturalmente trasferite alla società commerciale. L’Istituto fin dalla sua nascita, avvenuta nell’aprile 2006, ha partecipato a progetti di sequenziamento de novo di genomi vegetali di portata internazionale quali vite, pesco e Citrus (agrumi) lavorando in sinergia con il centro di sequenziamento francese GenoScope e con uno dei più grandi centri di sequenziamento americani, il Joint Genome Institute in California. Potrei dire che un vantaggio rispetto allo studio delle genomica umana e in parte a quella animale, riferendomi in questo caso solo agli animali di allevamento, è quello che non c’è molta competizione da parte di grossi centri di sequenziamento americani e inglesi per cui è ancora possibile avere il privilegio di essere gli unici a fare genomica ad alto livello su determinati genomi. D’altra parte lavorare sui genomi vegetali può essere molto complesso a causa della estrema variabilità strutturale presente a livello di sequenza e della presenza di elevate quantità di sequenze ripetute e ridondanti.

Sappiamo che in questo settore l’analisi dei dati è estremamente impegnativa. Quante persone sono impiegate in laboratorio e quanti sono invece i bioinformatici della vostra azienda?
La società attualmente dispone, oltre che della mia figura, di una persona in laboratorio e di un’altra persona che svolge sia attività di laboratorio che bioinformatica. L’analisi bioinformatica è ovviamente il grosso collo di bottiglia per chi lavora con queste macchine ed anzi riteniamo che una potenziale barriera all’ampia adozione delle tecnologie NGS e quindi allo sviluppo della ricerca genomica, genetica e biologica in Italia potrebbe essere proprio l’accesso non tanto alle piattaforme di produzione dei dati quanto alle metodologie ed infrastrutture computazionali: è veloce produrre i dati ma non è altrettanto veloce analizzarli. L’azienda intende quindi fortemente espandersi in questo settore. Al momento usufruisce delle competenze informatiche presenti presso l’Istituto di Genomica Applicata sia in termini di personale (IGA dispone di cinque informatici e un sistemista) che di infrastrutture (server e capacità di calcolo) ma intende nel corso del 2011 potenziare ulteriormente con risorse proprie le capacità di analisi bioinformatiche con investimenti sia in attrezzature che in personale ed affiancare a me nel team gestionale anche una figura di business development manager.

Allo stato attuale delle nostre conoscenze sul DNA, secondo voi quanto può essere utile, per la cura della propria salute, sequenziare il proprio genoma?
Questo è un settore in cui la tecnologia al momento corre più veloce della scienza. Alla capacità di decifrare velocemente ed a bassi costi l’intero contenuto genetico di un individuo non si è ancora affiancata la capacità di comprendere a pieno il significato biologico di queste informazioni. L’analisi genetica non ci ha ancora consentito nella maggior parte dei casi di collegare la variazione a livello di sequenza con la variazione a livello fenotipico. Detto questo, speriamo che ci possano essere rapidi progressi nel campo della genetica umana tali da rendere ancora più utile di quanto non lo sia oggi ai fini della prevenzione la disponibilità delle sequenza genomica completa. In alcuni casi specifici tuttavia la piena utilità già c’è: sequenziare il genoma completo delle cellule tumorali sicuramente ci può già dare indicazioni molto importanti ed utili per la comprensione degli eventi mutazionali e molecolari alla base dei processi di oncogenesi e per la messa a punto di terapie mirate.

Ringrazio la dott.ssa Cattonaro per la sua disponibilità e invito le aziende di genomica interessate a una eventuale intervista a contattarmi all’indirizzo mail mygenomixxx@gmail.com. Come faccio sempre per le aziende che presento, vi invito a citare myGenomix qualora decideste di acquistare i servizi di IGA Techology Services: sarà uno stimolo per continuare a curare il blog con sempre maggiore impegno e dedizione.

 

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Aziende di genomica in Italia – Genomnia (Milano)

A giudicare dalle visite che il blog riceve da quando ho avuto l’idea di intervistare le aziende di genomica italiane, sembrerebbe che ci sia molto interesse verso le piccole realtà imprenditoriali che coraggiosamente hanno deciso di offrire, sul nostro territorio, prodotti ad altissimo contenuto tecnologico. Oggi parliamo di un’azienda con sede a Lainate, in provincia di Milano, fondata nell’Ottobre 2008. Genomnia, per i suoi servizi, ha deciso di puntare forte su una sola tecnologia di sequenziamento, il SOLiD della Applied Biosystems. Ci spiega le ragioni alla base di questa scelta la dottoressa Anna Moles, direttore scientifico dell’azienda, che ci racconta anche le prospettive future di Genomnia e, più in generale, il suo punto di vista sulla genomica.

Tra le tre principali piattaforme di sequenziamento di seconda generazione, voi di Genomnia avete scelto SOLiD della Applied Biosystems. Cosa c’è alla base della vostra scelta? Che cosa offre in più SOLiD rispetto alle altre tecnologie?
La nostra azienda è collegata ad un gruppo più grande, abmedica, che opera nel settore dei dispositivi medici e della chirurgia robotica. Per queste ragioni il nostro mercato di riferimento “naturale” è o meglio sarà quello della diagnostica avanzata. Il SOLiD ha delle peculiarità che rendono questa piattaforma particolarmente accurata e quindi utile per, ma non solo, la scoperta e l’individuazione di mutazioni del codice genetico. Questa piattaforma infatti è l’unica ad utilizzare un sistema di sequenziamento, basato sulla ligasi, grazie al quale ogni base viene interrogata 2 volte “componendo” la sequenza in un codice colore grazie al quale è più semplice differenziare gli errori di sequenziamento dalle vere e proprie variazioni nella sequenza del DNA.

La vostra azienda offre servizi di vario genere, dal risequenziamento genomico al ChIP sequencing. Qual è l’applicazione che al momento è più richiesta? E chi è il vostro cliente tipo?
Le applicazioni più richieste al momento sono l’analisi dell’esoma intero dell’uomo, cioè di tutte le regioni codificanti, ed il ChIP sequencing per identificazione di regioni bersaglio delle più comuni modificazioni istoniche ma anche per i fattori o cofattori di trascrizione. I nostri clienti sono generalmente ricercatori di ottimo livello internazionale, italiani o di istituzioni estere in tutti i settori biomedici di punta, oncologia, cardiologia, neuroscienze, oftalmologia, cellule staminali e medicina riproduttiva e rigenerativa.

Oltre ad offrire servizi, siete anche disponibili per collaborazioni scientifiche. Quali sono stati i progetti di ricerca più interessanti a cui avete partecipato?
I progetti a cui abbiamo collaborato sono tutti molto interessanti, alcuni sono in fase di conclusione e pubblicazione. In particolare abbiamo un progetto con l’Istituto Pasteur di Parigi sulla scoperta di meccanismi di infertilità nell’uomo, un progetto con l’INT per l’analisi del trascrittoma in cellule tumorali a partire da quantità molto ridotte di RNA. Inoltre abbiamo recentemente ottenuto un finanziamento dal Ministero della Salute per un progetto in collaborazione con l’IDI ed il Centro Cardiologico Monzino, in cui ci si prefigge di sviluppare una strategia di manipolazione dei microRNA volta ad aumentare le potenzialità rigenerativa delle cellule mesenchimali cardiache per il trattamento del miocardio infartuato, ed uno in collaborazione con Mysui, Università di Tor Vergata e Istituto di Neuroscienze del CNR sui meccanismi molecolari che rendono la restrizione calorica uno dei trattamenti anti-invecchiamento più potenti sino ad ora scoperti.

Molti ritengono che sia l’analisi bioinformatica dei dati il collo di bottiglia del sequenziamento di nuova generazione. Nel vostro caso qual è la difficoltà principale nelle vostre attività, la fase di lavoro che vi impegna per più tempo?
Certamente l’analisi bioinformatica è un processo impegnativo e che richiede molto tempo e spesso uno scambio costante di informazioni e di idee con i ricercatori coinvolti nell’esperimento, non è un lavoro “meccanico”, bisogna prevedere per l’analisi bioinformatica lo stesso tempo dedicato alla parte biologica. La costruzione delle librerie da sequenziare è ancora un processo che richiede molto tempo manuale e quindi abbastanza lungo, anche se si sta andando in direzione di un’automatizzazione necessaria per effettuare progetti su larga scala.

Leggendo il vostro organigramma sul sito di Genomnia, sembra che abbiate solo quattro persone che si occupano direttamente dell’attività di ricerca. Pensate di acquisire nuovo personale nei prossimi mesi o preferite restare una piccola realtà?
Siamo pochi, ma il livello dello staff è veramente eccellente! Sì, abbiamo in programma di assumere un tecnico di laboratorio ed un nuovo bioinformatico.

Quando fu sequenziato il genoma umano, molti si aspettavano che la medicina e la società in genere sarebbero state rivoluzionate da questa grande conquista della scienza. Invece, a distanza di dieci anni, le cure personalizzate sul proprio codice genetico non si sono ancora affermate. Qual è la ragione principale, secondo lei?
Il completamento del sequenziamento del genoma umano nel 2000 ha in effetti alimentato molte speranze sia in termini di medicina personalizzata, secondo la quale le terapie potessero essere “disegnate” sul paziente, che di crescita economica legata all’ipotetica crescita delle biotech che avrebbero potuto beneficiare di questa scoperta, ma ha anche suscitato moltissime preoccupazioni legate all’uso non etico che si sarebbe potuto fare delle informazioni codificate nel DNA. A tutto questo clamore è seguito un periodo di grande calma. Chi lavora in questo settore conosce l’importanza del progetto genoma umano, senza il quale non sarebbe possibile per migliaia di ricercatori studiare la complessità del genoma e dei meccansmi che regolano l’espressione dei geni, e capire che ciascun genoma è così diverso che bisogna studiarne tanti per poter associare, ad esempio, variazioni della sequenza dei geni alle malattie.

Recentemente, Steven Salzberg dell’Università del Maryland ha messo online un software open source di sua creazione che consente di analizzare il proprio genoma dal computer di casa, al fine di identificare varianti genetiche che possano predisporre ad alcune malattie, e tutto questo senza l’intervento di un medico. Lei cosa pensa della genetica fai-da-te?
E’ una domanda complessa, che comporta una serie di valutazioni che coinvolgono sia aspetti scientifici che etico-legali che sociologici. Non sono in linea di massima contraria alla possibilità che un consumatore possa richiedere di conoscere se sia portatore di variazioni genetiche collegate al rischio di sviluppare determinate patologie, e non sono contraria per varie ragioni, una è che bisognerebbe garantire la libertà di poter essere informati sul proprio stato di salute e le proprie prospettive future ed eventualmente poter scegliere stili di vita più adeguati alle proprie predisposizioni genetiche o intraprendere comportamenti, anche drastici, che possano ridurre le conseguenze di queste mutazioni (si pensi alle mutazioni del gene BRCA1 ed il rischio di cancro al seno e alla scelta di molte donne di sottoporsi addirittura alla mastectomia preventiva). Il problema è la qualità delle informazioni che vengono fornite e della scienza su cui poggiano, e di garantire un counseling successivo ai pazienti portatori di variazioni del codice cenetico potenzialmente fatali (si pensi alla Corea di Huntington).

In un sondaggio, ho chiesto ai lettori del blog quanto sarebbero disposti a spendere per sequenziare il proprio genoma. Secondo lei, con la conoscenza del DNA che abbiamo attualmente, quanto vale realmente un genoma sequenziato? Quanto può essere utile conoscere il proprio codice genetico?
Il tipo e l’utilità di informazioni che può fornirci un genoma intero oggi in termini diagnostici, pagando un prezzo nell’ordine delle decine di migliaia di euro, si possono ottenere utilizzando metodi più economici, come il sequenziamento dell’esoma, cioè delle regioni codificanti. C’è ancora una grande quantità di lavoro da effettuare per capire il significato di mutazioni in regioni non codificanti, ma con un ruolo importantissimo.

Ringraziando la dott.ssa Moles, vi ricordo che il mio blog è disponibile ad accogliere nuovi interventi da parte di aziende italiane. Se siete interessati, non dovete far altro che scrivermi una mail! Se deciderete di acquistare i servizi di Genomnia ricordatevi di citare myGenomiX: sarà uno stimolo per continuare a curare il blog con sempre maggiore impegno e dedizione.

 

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Melo da record: mai visti tanti geni in un genoma solo!

Ieri ho avuto il piacere di seguire un seminario del prof. Riccardo Velasco, ricercatore presso l’Istituto Agrario di San Michele all’Adige. L’argomento era il genoma del melo Malus domestica, sequenziato da un consorzio internazionale di cui l’istituto trentino ha fatto parte. Il genome paper, come si dice in questi casi, è stato pubblicato alla fine dell’estate, e si è persino meritato la copertina del numero di Ottobre di Nature Genetics.

Cosa abbia di speciale il genoma del melo è presto detto: questa specie ha la bellezza di 57mila geni. Si tratta di un numero estremamente elevato, quasi certamente il più alto in assoluto tra tutti i genomi finora sequenziati. Per arrivare a questa cifra impressionante sono stati utilizzati sei predittori diversi, cioè sei programmi che, sulla base della sequenza genomica, individuano i punti dove potrebbero trovarsi i geni. Il dato è ancora più sorprendente se si considera che, in realtà, si tratta di una predizione molto stringente e quindi la più sicura possibile: se fossero state presi come buoni anche i geni più incerti, sarebbe stata agevolmente sfondata quota 60mila.

Ma perché il melo ha tutti questi geni? Una possibile spiegazione potrebbe essere il grande evento di duplicazione avvenuto 50 milioni di anni fa, in cui l’intero genoma del progenitore del melo subì un gigantesco “copia e incolla”. Da allora sono avvenuti un sacco di riarrangiamenti cromosomici: spostamenti di pezzi di cromosomi, cromosomi interi che si sono fusi tra loro, blocchi di DNA eliminati. Questa pianta ne ha viste veramente di tutti i colori. Gli autori riescono anche a ipotizzare un modello che spiega che fine hanno fatto i 9 cromosomi originari, e quali assurde peripezie hanno subito negli ultimi milioni di anni, per arrivare a diventare i 17 cromosomi del melo attuale.

Grazie alla suddetta duplicazione genomica, il melo può ora vantare il record della specie vegetale con più geni (probabilmente detiene anche il record assoluto rispetto a tutti gli organismi sequenziati, ma siccome i dati che ho trovato sono discordanti non azzarderei un’affermazione del genere): tanto per dare qualche numero, il pioppo e la soia ne hanno 46mila, il riso 40mila e il mais 32mila. Sono molto curioso di sapere quanti ne rivelerà il gigantesco genoma del frumento, quando il suo sequenziamento sarà davvero completato: con i suoi 16 miliardi di paia di basi ha tutte le carte in regola per fare impallidire anche il nostro Malus domestica.

Velasco R et al “The genome of the domesticated apple (Malus × domestica Borkh.)”, Nature Genetics 2010, 42, 833 – 839

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Pubblicato da su 11 novembre 2010 in Scienza

 

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Sequenziato il genoma di Ozzy Osbourne

Qualche tempo fa pubblicai la notizia che Ozzy Osbourne, il leggendario cantante rock ex leader dei Black Sabbath, avrebbe avuto il proprio genoma sequenziato. Lo scopo, al confine tra abile azione di marketing e ricerca scientifica, era quello di scoprire quali geni prodigiosi potessero aver consentito a Ozzy di raggiungere la veneranda età di 61 anni dopo una vita di alcool e droghe. Lo scorso weekend, sul Sunday Times sono apparsi finalmente i risultati dell’analisi, i quali, pur essendo certamente interessanti, non danno nessuna risposta definitiva all’interrogativo di partenza.

Ozzy è un cantante rock, non uno scienziato, e quando gli è stato proposto di farsi sequenziare non ha nascosto le proprie perplessità. “L’unico genome di cui ho sentito parlare – avrebbe dichiarato – è la statua con la barba bianca e il cappello a punta che si mette in giardino. Per quanto riguarda i geni poi, conosco solo un Gene, ed è il bassista dei Kiss.” Ci è voluto un po’, ma alla fine il Padrino dell’Heavy Metal si è convinto e ha consegnato il proprio DNA alla scienza.

Il genoma di Ozzy è stato sequenziato dall’azienda americana Cofactor Genomics con un SOLiD 4 della Life Technologies, società che oltre ad aver finanziato in parte il progetto si è anche occupata dell’analisi preliminare dei dati. Una volta ottenute le sequenze grezze, queste sono state infatti caricate sui server della Penguin Computing, sui quali sono state quindi analizzate per essere mappate sul genoma umano di riferimento. A farlo è stato Matt Dyer della Life Technologies, che è riuscito a posizionare sul riferimento circa il 70% delle sequenze prodotte: un risultato discreto, considerando che il genoma di Ozzy era stato sequenziato con una copertura di 13X. Dopo 8-10 ore di calcolo in modalità cloud computing per il mappaggio, Dyer doveva ora identificare gli SNP e le piccole inserzioni e delezioni presenti nel codice. Una volta ottenute, queste informazioni sono state inviate alla Knome, l’azienda che ha terminato le analisi e stilato l’interpretazione finale.

Cosa si è scoperto quindi, dopo questa costosa corsa contro il tempo? E’ emerso che Ozzy Osbourne possiede delle varianti particolari nel gene TTN, legato alla sordità e al Parkinson, e nel gene CLTCL1, attivo nel cervello. Il DNA ha inoltre confermato la sua sensibilità alla caffeina e ha suggerito una possibile spiegazione per la sua elevata tolleranza all’alcool: la variante responsabile potrebbe essere quella trovata nel gene dell’alcool deidrogenasi ADH4. Infine, il cantante porta nel suo codice genetico due varianti alleliche del gene COMT: la prima dovrebbe conferire capacità organizzative, pianificazione e capacità di autoregolarsi (è chiamata la variante “guerriera”); la seconda, invece, è associata a caratteristiche opposte (variante “ansiosa”). Come lo stesso Ozzy ha ammesso, queste due componenti sono entrambe presenti nella personalità della rock star e se la variante guerriera è quella che l’ha reso famoso, forse quella ansiosa lo ha tenuto in vita.

Piccola curiosità, Ozzy ha nel cromosoma 10 un paio di segmenti che arrivano dritti dritti dall’uomo di Neanderthal: da quando su Science è apparsa l’ipotesi che Sapiens e Neanderthal potrebbero essersi accopiati nel lontano Pleistocene, tutte le successive analisi di genomi hanno contemplato anche la ricerca di questa particolare eredità. Non preoccupatevi comunque: Ozzy Osbourne è un Homo sapiens a tutti gli effetti, e a giudicare dal suo genoma il genetista George Church è tre volte più Neanderthal di lui.

Non sappiamo ancora come Ozzy Osbourne sia riuscito ad arrivare alla sua età dopo una vita così sregolata, ma sicuramente questa iniziativa ha permesso alle aziende coinvolte (e alla genomica in genere) di farsi un po’ di pubblicità anche presso il grande pubblico. Molte varianti nel genoma di Ozzy erano già note, ma altrettante sono quelle mai viste prima d’ora dagli scienziati: il problema, però, è che non è possibile trarre delle conclusioni partendo da un singolo genoma. La ricerca di associazioni tra DNA e tratti fenotipici esige gruppi numerosissimi di persone, il cui codice genetico viene studiato e correlato con il loro aspetto fisico o le loro malattie.

Insomma, la scienza non ha imparato nulla dal genoma di Ozzy Osbourne, si possono soltanto fare supposizioni e ipotesi che devono essere validate con grandi popolazioni. Tuttavia, nella settimana in cui Nature pubblica i primi risultati del Progetto 1000 Genomi (questo sì che ha valenza scientifica), è il DNA del cantante britannico a interessare maggiormente la gente comune, e far avvicinare le persone alla genetica è anch’esso – secondo me – uno scopo nobile: quando il sequenziamento dei genomi entrerà nella nostra vita di tutti i giorni, è bene che tutti sappiano che cosa significa.

Fonti: Sunday Times, Bio-It World, Scientific American, Cofactor Genomics

 
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Pubblicato da su 29 ottobre 2010 in Genetica personale, Medicina, Salute, Tecnologia, Varie

 

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