Oxford Nanopore¶

Oxford Nanopore — британская компания, специализирующаяся на разработке и производстве портативных устройств для секвенирования ДНК и РНК в реальном времени. Основана в 2005 году в Оксфорде (Великобритания) как ответвление Оксфордского университета. Компания известна своей технологией нанопорового секвенирования, которая позволяет анализировать генетический материал без предварительной амплификации и с высокой мобильностью оборудования.

¶Технология

В основе продукции Oxford Nanopore лежит метод нанопорового секвенирования. Молекула ДНК или РНК проходит через белковую пору (нанопор), встроенную в синтетическую мембрану. При прохождении нуклеотидов через пору изменяется электрический ток, и эти изменения регистрируются датчиками. Каждый нуклеотид создаёт характерное возмущение тока, что позволяет определять последовательность оснований в реальном времени.

Ключевые особенности технологии:

• Длинные чтения — устройство способно считывать фрагменты ДНК длиной в сотни тысяч и даже миллионы пар оснований, что упрощает сборку геномов.
• Прямое секвенирование РНК — не требует обратной транскрипции, что позволяет выявлять эпигенетические модификации.
• Мобильность — приборы размером с флешку (MinION) или книгу (GridION) работают от USB-порта или автономного питания.
• Масштабируемость — количество нанопоров в проточной ячейке варьируется от нескольких сотен до десятков тысяч, что определяет пропускную способность.

¶Продуктовая линейка

Компания выпускает несколько серий устройств, различающихся производительностью и назначением:

• MinION — портативный секвенатор весом около 100 граммов, подключаемый к компьютеру через USB. Предназначен для полевых исследований, эпидемиологического мониторинга и образовательных целей.
• GridION — настольная система с пятью независимыми слотами для проточных ячеек. Используется в лабораториях среднего масштаба.
• PromethION — высокопроизводительная платформа для крупных геномных центров. Поддерживает одновременную работу 24 или 48 проточных ячеек и позволяет секвенировать до нескольких терабаз данных за цикл.
• Flongle — адаптер для MinION, рассчитанный на одну миниатюрную ячейку с низкой пропускной способностью, применяется для быстрой проверки образцов.

Для анализа данных компания предоставляет программное обеспечение, включая базовый вызов нуклеотидов (basecalling) и инструменты для картирования прочтений.

¶Применение

Технологии Oxford Nanopore нашли применение в различных областях биологии и медицины:

• Эпидемиология — в ходе пандемии COVID-19 устройства компании использовались для оперативного секвенирования геномов коронавируса и отслеживания мутаций, в том числе в отдалённых регионах.
• Онкология — длинные чтения позволяют выявлять структурные перестройки и варианты сплайсинга, важные для персонализированной терапии.
• Микробиология — быстрое определение видов бактерий и их устойчивости к антибиотикам непосредственно из клинических образцов.
• Экология и сельское хозяйство — мониторинг биоразнообразия, анализ почвенных и водных микробиомов.
• Криминалистика — анализ образцов ДНК с места преступления при ограниченном количестве материала.

¶История и развитие

Компания была основана в 2005 году профессором Хаганом Бейли и группой учёных Оксфордского университета. Первый коммерческий продукт — MinION — был представлен в 2014 году в рамках программы раннего доступа. В 2015 году устройство использовали для полевого секвенирования вируса Эбола в Западной Африке. В 2016 году Oxford Nanopore вышла на Лондонскую фондовую биржу.

В последующие годы компания совершенствовала точность секвенирования, которая первоначально уступала конкурентам, таким как Illumina. К началу 2020-х годов точность одиночного прочтения превысила 99 %, а при использовании коррекции круговым секвенированием приблизилась к показателям традиционных платформ.

¶Критика и ограничения

Несмотря на преимущества, технология Oxford Nanopore имеет недостатки. Ошибки в прочтениях распределены неравномерно и чаще встречаются в гомополимерных участках. Высокая стоимость проточных ячеек при низкой пропускной способности по сравнению с секвенаторами Illumina ограничивает применение в крупных проектах. Кроме того, для работы с большими объёмами данных требуются значительные вычислительные ресурсы.

¶Источники

• Официальный сайт Oxford Nanopore Technologies
• Jain M., Olsen H. E., Paten B., Akeson M. The Oxford Nanopore MinION: delivery of nanopore sequencing to the genomics community // Genome Biology, 2016.
• Ломоносовская публикация о применении нанопорового секвенирования в эпидемиологическом мониторинге, 2021.