Illumina

Illumina — американская компания, специализирующаяся на разработке, производстве и продаже систем для секвенирования ДНК, биоинформатического программного обеспечения и реагентов для геномных исследований. Штаб-квартира расположена в Сан-Диего, Калифорния. Компания является одним из крупнейших в мире производителей технологий для высокопроизводительного (NGS — next-generation sequencing) секвенирования.

История

Компания основана в 1998 году Дэвидом Уолтом, Ларри Боком, Джоном Сталкером, Марком Чи и Энтони Чором. Первоначально компания занималась разработкой технологии BeadArray, позволяющей проводить параллельный анализ множества генетических маркеров на микрочипах. В 2000 году Illumina вышла на биржу NASDAQ.

Ключевым этапом в истории компании стало приобретение в 2007 году британской компании Solexa, которая разрабатывала технологию секвенирования нового поколения на основе обратимых терминаторов. Эта технология, получившая название «секвенирование путём синтеза» (sequencing by synthesis, SBS), легла в основу большинства последующих платформ Illumina.

В последующие годы компания активно расширяла портфель продуктов, выпуская приборы с растущей производительностью и снижающейся стоимостью секвенирования. В 2014 году Illumina представила систему HiSeq X, которая впервые позволила секвенировать полный геном человека за 1000 долларов США. В 2017 году была запущена серия NovaSeq, предназначенная для сверхмасштабных проектов.

В 2020-х годах Illumina столкнулась с антимонопольными расследованиями, в частности, в связи с попыткой приобретения компании Grail, занимающейся разработкой тестов для раннего выявления рака по крови. В 2023 году Illumina была вынуждена выделить Grail в отдельную компанию. В 2024 году Illumina представила новую платформу NovaSeq X, которая, по заявлению компании, позволяет секвенировать геном человека за 200 долларов.

Технология

Основой технологий Illumina является метод секвенирования путём синтеза (SBS). Процесс включает несколько этапов:

1. Подготовка библиотеки: ДНК фрагментируется на короткие участки, к которым присоединяются адаптеры — короткие олигонуклеотидные последовательности, необходимые для последующей амплификации и секвенирования.
2. Амплификация на твёрдой фазе (Bridge PCR): Фрагменты ДНК с адаптерами иммобилизуются на специальной проточной ячейке (flow cell). На поверхности ячейки происходит мостиковая амплификация, в результате которой образуются кластеры — идентичные копии каждого исходного фрагмента ДНК.
3. Секвенирование: В проточную ячейку подаются меченые флуоресцентными красителями нуклеотиды, каждый из которых имеет обратимую блокирующую группу. В ходе реакции синтеза комплементарной цепи ДНК-полимераза присоединяет только один нуклеотид к каждой растущей цепи. После присоединения флуоресцентный сигнал от каждого кластера регистрируется камерой, а блокирующая группа удаляется, позволяя присоединить следующий нуклеотид. Процесс повторяется циклически, позволяя прочитать последовательность нуклеотидов в каждом кластере.
4. Анализ данных: Полученные изображения обрабатываются программным обеспечением, которое преобразует флуоресцентные сигналы в последовательности нуклеотидов (риды). Риды затем выравниваются на референсный геном или собираются de novo.

Продукция

Illumina производит несколько серий секвенаторов, различающихся по производительности, длине прочтения и стоимости:

• MiniSeq: Настольный прибор начального уровня, предназначенный для небольших лабораторий и образовательных учреждений.
• MiSeq: Компактный секвенатор, используемый для небольших геномов, таргетного секвенирования и валидации результатов. Отличается относительно быстрым временем работы (от 4 до 55 часов).
• NextSeq: Система среднего класса, обеспечивающая более высокую производительность, чем MiSeq. Используется для секвенирования экзомов, транскриптомов и небольших геномов.
• NovaSeq 6000: Высокопроизводительная система, предназначенная для крупномасштабных проектов, включая секвенирование целых геномов, популяционные исследования и анализ раковых геномов.
• NovaSeq X: Флагманская платформа, представленная в 2024 году, с заявленной производительностью до 20 миллиардов ридов за один запуск и возможностью секвенирования генома человека за 200 долларов.

Кроме секвенаторов, компания производит реагенты, наборы для подготовки библиотек, а также биоинформатическое программное обеспечение, включая платформу BaseSpace Sequence Hub для хранения и анализа данных в облаке.

Применение

Технологии Illumina находят применение в различных областях биологии и медицины:

• Фундаментальные исследования: Изучение генетики человека, эволюционной биологии, функциональной геномики, эпигенетики.
• Клиническая медицина: Диагностика наследственных заболеваний, онкогенетика (выявление соматических мутаций в опухолях), пренатальная диагностика (неинвазивное пренатальное тестирование, НИПТ), фармакогенетика.
• Микробиология: Идентификация и типирование микроорганизмов, изучение микробиома человека и окружающей среды, выявление патогенов.
• Сельское хозяйство: Селекция растений и животных, геномная оценка племенной ценности, создание генетически модифицированных организмов.
• Криминалистика: ДНК-идентификация личности, генеалогические расследования.

Критика и ограничения

Деятельность Illumina вызывает критику по нескольким причинам:

• Монополизация рынка: Доминирующее положение Illumina на рынке секвенаторов (по оценкам, более 80% рынка) вызывает опасения по поводу подавления конкуренции и завышения цен. Антимонопольные органы США и Европейского союза проводили расследования в отношении компании.
• Стоимость оборудования и реагентов: Несмотря на снижение стоимости секвенирования, цена самих приборов и расходных материалов остаётся высокой, что ограничивает доступ к технологии для небольших лабораторий и исследовательских групп в развивающихся странах.
• Длина прочтений: Технология секвенирования путём синтеза Illumina генерирует относительно короткие риды (обычно от 50 до 300 пар оснований). Это затрудняет сборку геномов de novo и анализ сложных повторяющихся участков генома.
• Ошибки секвенирования: Как и любой метод, SBS не лишён ошибок, особенно в областях с высокой GC-составностью или гомополимерными повторами.
• Этические вопросы: Развитие технологий секвенирования ставит вопросы о конфиденциальности генетических данных, возможности дискриминации на основе генетической информации и этических границах генетического редактирования.

Интересные факты

• Название компании происходит от латинского слова illuminare — «освещать», что отражает суть технологии, основанной на регистрации флуоресцентных сигналов.
• В 2021 году Illumina была признана журналом Fortune одной из самых инновационных компаний мира.
• Технологии Illumina используются для секвенирования геномов вымерших видов, таких как мамонт и неандерталец.

Источники

• Illumina, Inc. Annual Report (2023).
• Mardis, E. R. (2017). DNA sequencing technologies: 2006–2016. Nature Protocols, 12(2), 213–218.
• Goodwin, S., McPherson, J. D., & McCombie, W. R. (2016). Coming of age: ten years of next-generation sequencing technologies. Nature Reviews Genetics, 17(6), 333–351.
• Официальный сайт Illumina (www.illumina.com).
• Материалы антимонопольных расследований Европейской комиссии (2021–2023).