Biologi i høyere oppløsning

Det kan hevdes at det endelige eller grunnleggende målet med biologi er å forstå mekanismene som regulerer cellefysiologi, og å gjøre spådommer basert på disse mekanismene. Det skjære mangfoldet og kompleksiteten til levende systemer gjør dette til en overveldende oppgave.

Det er imidlertid grunner til optimisme. I løpet av de siste tiårene har teknologiske gjennombrudd generert betydelige fremskritt som forvandler biologifaget og tar oss nærmere dette målet. Neste generasjons sekvensering (NGS) er et eksempel på teknologiene som er i ferd med å revolusjonere fagfeltet.

Milliarder av sekvenser

Sekvensering er ikke nytt. Det refererer til prosessen med å lese av rekkefølgen til «bokstavene», eller nukleotidene, fra et DNA- eller RNA-molekyl. I flere tiår var standardprosessen for sekvensering Sanger-sekvensering, der individuelle tråder leses én bokstav av gangen. Dette er presist, men langsomt og dyrt. Nå blir denne velprøvde metoden gradvis erstattet av NGS-metoder.

Det som skiller NGS fra tidligere teknologier er hastigheten den produserer data i. I stedet for å lese av én sekvens om gangen, produserer NGS-sekvensering millioner av sekvenser i samme eksperiment.

For å sette dette i perspektivet kan vi se tilbake på arbeid som som ble utført i 1995 av forskere ved Institute of Genomic Research (TIGR), nå J. Craig Venter Institute. På den tiden fullførte de det første utkastet til genomsekvens av en bakterie (Hemofilus influensa). Dette ble gjort ved hjelp av en protokoll som krevde Sanger-sekvensering av hele genomet, på 1,8 millioner basepar (bp), til denne organismen, ett stykke på 460 bp av gangen gangen. Dette var en monumental oppgave.

I dag kan de fleste mikrobiologiske laboratorier sekvensere, sette sammen og annotere utkast til flere bakteriegenomer på én uke ved hjelp av NGS.

Avgjørende for pandemiresponsen

Genomene til mer enn 200.000 genomer av mikroorganismer har blitt lastet opp til offentlige databaser, hvorav mange er av klinisk interesse. NGS har også blitt brukt til å påvise helt nye virustyper både hos mennesker og i andre organismer. Det har også bidratt til å identifisere typer og undertyper av patogener for epidemiologiske undersøkelser med en hastighet og presisjonsnivå som tidligere ikke var mulig.

Denne presisjonen gjør det mulig for offentlige helsevesener å finne sammenhenger mellom kliniske tilfeller som kan ha blitt oversett ved hjelp av tradisjonelle teknikker. Sporingen av SARS-CoV-2-varianter i sanntid under pandemien er et eksempel på dette. Denne innsikten var avgjørende for å redusere virkningen av pandemien.

På samme måte har bruken av NGS til onkologi økt vår forståelse av de genetiske endringene som er involvert i kreft hos mennesker. Med en NGS-analyse kan man screene for mange forskjellige genomiske avvik samtidig og med høy nøyaktighet. Det gjelder for eksempel mutasjoner, små og store innsettinger og slettinger, kopinummervariasjoner og fusjonstranskripsjoner.

En annen viktig fordel ved rutinemessig sekvensering av tumorer er redusert behandlingstid for analyse, noe som fører til redusert klinisk rapporteringstid.

Sammenligner enkeltceller

Kanskje det nyeste og mest spennende feltet som har åpnet seg opp på grunn av NGS er enkeltcellesekvensering. Tidligere ble NGS utført ved hjelp av DNA eller RNA som var ekstrahert fra et vev i bulk. Det gjorde det mulig å hente inn mye informasjon, men mange av de subtile forskjellene mellom cellene som var en del av vevet gikk tapt.

I kontrast til dette sikter enkeltcellesekvensering på å hente ut DNA- og RNA-sekvenser fra enkeltceller. Det gir en oppløsning som var umulig å oppnå for noen få år siden.

Enkeltcellesekvensering fører nå til en renessanse innenfor flere fagområder. Det første er kreftforskning, som takket være denne teknologien kan spore den lenge kjente heterogeniteten til tumorvev til sitt mest grunnleggende nivå: enkeltcellen.

Et annet område er sekvensering av komplekse mikrobielle populasjoner, enten fra en organisme, som en menneskelig tarm eller munn, eller fra vårt fysiske miljø. Nylige fremskritt innen mikrobiell cellegenomikk og transkripsjon har gjort det mulig å tilegne funksjonelle roller til medlemmer av det menneskelige mikrobiomet som det ikke finnes vellykkede dyrkingsmetoder for.

For tiden ser imidlertid de største vitenskapelige gjennombruddene ut til å komme innenfor nevrobiologi og utviklingsbiologi. Evnen til å utføre transkripsjonsstudier på tusenvis til millioner av celler på noen få timer eller dager har revolusjonert studiet av celleavstamning og den detaljerte strukturen til komplekse cellepopulasjoner.

En pågående revolusjon

Noen forskere forutså allerede i 2013 hvilken eksplosjon vi ville få av nye data på disse områdene (Shapiro m. fl., 2013). På den tiden spådde de at det ville være mulig å skaffe molekylære data fra tusenvis av celler, og videre at metoder for å kombinere genomikk, transkripsjon, epigenomikk og proteomikk ville bli vanlige i løpet av det påfølgende tiåret.

De hadde rett. På bare noen få år har NGS revolusjonert biologien ved å gi tilgang til en enorm mengde genetisk informasjon med liten innsats. Det har ført til massive endringer for forskning, diagnostikk og behandlinger. Etter hvert som de nyeste teknologiene modnes, og blir enda raskere og billigere, vil de få enda større innvirkning i fremtiden.