Para o sequenciamento de DNA, este “é o ano da grande mudança”, diz Michael Snyder, biólogo de sistemas da Universidade de Stanford. O sequenciamento é crucial para campos da biologia básica à virologia e à evolução humana, e sua importância continua crescendo. Os médicos estão clamando para aproveitá-la para a detecção precoce de câncer e outras doenças, e os biólogos estão encontrando cada vez mais maneiras de usar a genômica para estudar células únicas. Mas durante anos, a maior parte do sequenciamento dependeu de máquinas de uma única empresa, a Illumina.
Na semana passada, no entanto, uma jovem empresa chamada Ultima Genomics disse em uma reunião em Orlando, Flórida, que com novas reviravoltas nas tecnologias existentes, poderia fornecer genomas humanos por US$ 100, um quinto da taxa atual. Várias outras empresas também prometeram um sequenciamento mais rápido e mais barato na mesma reunião, Advances in Genome Biology and Technology. Este ano, as principais patentes que protegem a tecnologia de sequenciamento da Illumina expirarão, abrindo caminho para mais concorrência, inclusive de uma empresa chinesa, a MGI, que na semana passada anunciou que começaria a vender suas máquinas nos Estados Unidos neste verão. “Podemos estar à beira da próxima revolução no sequenciamento”, diz Beth Shapiro, bióloga evolucionária da Universidade da Califórnia, Santa Cruz (UCSC).
A maioria das empresas de sequenciamento, incluindo a Illumina, que controla 80% do mercado global, depende do “sequenciamento por síntese”. O DNA a ser decifrado é separado em fitas simples, que geralmente são cortadas em pedaços curtos e montadas em uma superfície – geralmente uma pequena conta – em um recipiente chamado célula de fluxo. Cada fragmento de fita simples serve como molde para guiar a síntese de uma fita com bases complementares, fornecidas uma de cada vez aos canais de esferas. Como cada base adicionada foi modificada para brilhar, uma câmera pode gravar onde ela se conecta – e, portanto, a identidade da base correspondente no fio original. As etapas são repetidas até que a nova fita de DNA esteja completa.
A Ultima simplificou o processo pulverizando as esferas carregadas de DNA aos bilhões em bolachas redondas de silício do tamanho de pratos de sobremesa. Os bicos acima de cada wafer esguicham suavemente bases e outros reagentes, que se espalham de forma fina e uniforme pela wafer à medida que ela gira, reduzindo a quantidade necessária desses materiais caros. Em vez de se mover para frente e para trás sob a câmera, o disco se move em espiral, semelhante a como um disco compacto é reproduzido, o que acelera a imagem. É “engenharia inteligente [that] evita muitos encanamentos complexos”, diz Mark Akeson, biólogo molecular da UCSC. Um programa de rede neural transforma rapidamente os dados de imagem em uma sequência.
A química de sequenciamento também é diferente. Apenas algumas bases carregam etiquetas fluorescentes, reduzindo custos. Além disso, as bases não possuem o sinal de parada usual, o que garante que nenhuma base extra seja travada. Sem esses “terminadores”, a cadeia em crescimento às vezes pode adicionar várias bases ao mesmo tempo, acelerando o processo. “Muitas dessas inovações são usadas em outros lugares, mas parecem ter se encaixado muito bem aqui”, diz Jay Shendure, geneticista e desenvolvedor de tecnologia da Universidade de Washington (UW), Seattle.
O CEO da Ultima, Gilad Almogy, e seus colegas demonstraram o potencial da tecnologia em quatro pré-impressões publicadas no final de maio no bioRxiv. Em um deles, eles e colegas do Broad Institute of MIT e Harvard usaram sua máquina para sequenciar mais de 224 genomas humanos já sequenciados e encontraram seus resultados a par de trabalhos anteriores. Os outros três estudos mostraram que a tecnologia pode avaliar o repertório de genes expressos de uma única célula, os efeitos das mutações e a epigenética – modificações químicas do DNA que afetam a atividade do gene.
Até agora, o custo limitou esses estudos de célula única, causando um gargalo na pesquisa. Mas Snyder descobriu que a abordagem de baixo custo de Ultima lhe permitiu sequenciar várias células de câncer de cólon para documentar como uma modificação do DNA, a metilação, muda à medida que o câncer de cólon se desenvolve.
Em outra pré-impressão, Joshua Levin e seus colegas do Broad Institute testaram a capacidade da tecnologia Ultima de identificar genes ativos em células sanguíneas individuais, conforme indicado pelas transcrições de RNA dos genes. A equipe descobriu que a máquina de Ultima identificava esses genes tão bem quanto a de Illumina. E, acrescenta, “é um divisor de águas devido ao custo mais baixo”.
Florence Chardon, uma estudante de pós-graduação em genômica da UW que modifica o DNA com o editor de genoma CRISPR, está animada com essa perspectiva. “Quanto menos caro [sequencing] fica, mais acessível esse tipo de pesquisa é para mais laboratórios e mais pessoas”, diz ela.
Mas Lior Pachter, biólogo computacional do Instituto de Tecnologia da Califórnia, tem reservas sobre a nova tecnologia. Ele e o estudante de pós-graduação A. Sina Booeshaghi analisaram um dos genes mais ativos nas células do sangue da equipe de Levin, um possível biomarcador de câncer também conhecido por produzir uma proteína que os atletas às vezes injetam para melhorar ilegalmente seu desempenho. A tecnologia Ultima às vezes perde o gene ativo, diz Pachter. A “taxa de erro era muito alta e o desempenho era muito ruim”.
O gene tem um trecho em que a mesma base é repetida oito vezes, e Ultima admite que repetições longas podem prejudicar a precisão de suas leituras. Olhando para outro lugar na sequência de Ultima, Pachter encontrou erros quando uma base foi repetida apenas três vezes. Ele observa que um genoma humano contém pelo menos 1,4 milhão desses chamados homopolímeros. Ainda assim, ele diz: “Para algumas aplicações, você não precisa de sequências perfeitas”.
Pachter e outros também discordam do custo de US$ 100. Esse número cobre apenas os reagentes, não a mão de obra, as etapas de pré e pós-sequenciamento e o desembolso inicial da máquina, cujo preço não foi divulgado. Mesmo que o valor de US$ 100 seja real, pode não ser único: outras empresas também estão prometendo US$ 100 por genoma humano.
Uma delas é a MGI, uma subsidiária da gigante chinesa de sequenciamento BGI. A tecnologia da MGI é semelhante à da Illumina, mas aumenta a precisão adicionando todas as quatro bases de uma vez à medida que sequencia o DNA. Para rastrear quais bases são incorporadas, ele usa anticorpos, que são mais brilhantes e mais baratos que os corantes fluorescentes. A Illumina também está prometendo custos mais baixos e, na reunião, apresentou novos produtos químicos para aumentar a precisão e a flexibilidade.
Para que essa taxa de barganha seja realizada, tanto a Ultima quanto a MGI precisam preencher seus sequenciadores com centenas de genomas. Mas o sequenciamento de alto rendimento “nem sempre é bom para a prática clínica, mesmo que seja uma boa economia”, diz Greg Elgar, biólogo genômico da Genomics England, porque às vezes um médico precisa analisar apenas o genoma de uma ou algumas pessoas. Outras empresas com novas células de fluxo e produtos químicos podem sequenciar economicamente um pequeno número de genomas. Na reunião da semana passada, Molly He, CEO da Element Biosciences, informou que a empresa agora está enviando sequenciadores de bancada que podem sequenciar três genomas humanos por vez, a um custo de US$ 560 cada. Outra empresa, a Singular Genomics, também promete tecnologia de bancada que não exige alto rendimento para economia de custos.
Essas máquinas, como as da Illumina, MGI e Ultima, decifram pequenos fragmentos de DNA. Mas nos últimos 7 anos, duas empresas, Pacific Biosciences e Oxford Nanopore Technologies, trabalharam no sequenciamento de “long reads”, milhares de bases de comprimento, que deixam menos sequências parciais para juntar em um genoma completo. As tecnologias “podem sequenciar a molécula nativa de DNA, em toda a sua glória”, diz Elgar. Eles lutaram com baixa precisão e alto custo, mas ele diz que estão a caminho de se tornarem ferramentas práticas.
Não conte ainda com o gigante de sequenciamento Illumina. Seus cientistas “provavelmente mantiveram alguns cartões no bolso de trás” para manter sua posição no mercado forte, diz Albert Vilella, bioinformático e consultor de genômica em Cambridge, Inglaterra. No entanto, a Illumina enfrenta uma concorrência sem precedentes, acrescenta. “Está na hora de olhar para o [DNA sequencing] paisagem com novos olhos.”
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