Twist Bioscience и новая эра популяционной генетики

Twist Bioscience создала интегрированную экосистему инструментов для секвенирования следующего поколения, которая повышает пропускную способность и снижает затраты, что открывает новую эру исследований популяционной генетики. Расшифровка человеческого генома в рамках популяционной генетики принесла важные инсайты о здоровье человека и эволюции.

В течение десятилетий генотипирующие микрочипы оставались основным инструментом в популяционных исследованиях, позволившим провести ряд ключевых работ и выявить тысячи вариантов, связанных с заболеваниями. Однако их ограничения становятся все более очевидными. Дизайн массивов основывается на известных вариантах на момент производства и, как правило, смещен в сторону популяций европейского происхождения. Эта предвзятость отбора является существенной проблемой в популяционной генетике, особенно при изучении более разнообразных или недостаточно представленных популяций.

С этим вызовом пытаются справиться инициативы вроде Human Pangenome Reference Consortium, создавая более богатую многоэтническую карту, которая лучше отражает полноту человеческого генетического разнообразия. «Устаревшие микромассивы по сути не способны открывать новые или редкие варианты. Поскольку они в основном разрабатывались на данных из популяций европейского происхождения, они также плохо работают для азиатских когор», — отметила Эмили М. Лепрусто, доктор философии, генеральный директор и сооснователь Twist Bioscience.

Как глобальный поставщик продуктов и услуг для секвенирования следующего поколения, работающий по всему биологическому конвейеру, Twist Bioscience превосходит традиционные массивы за счет экосистемы инструментов, обеспечивающей рабочие процессы, оптимальные для секвенирования на уровне популяций. Используя опыт в проектировании зондовых панелей и собственную инженерную разработку ферментов, компания обеспечивает научно превосходные и операционно жизнеспособные решения для масштабного секвенирования.

«Twist приносит силу кремниевой синтезной ДНК в сферу NGS», — добавила доктор Лепрусто. «Мы даем исследователям возможность недорого секвенировать и создавать надежные, репрезентативные геномные базы данных с нуля, а не полагаться на устаревшие инструменты, к которым пытаются приспособиться».

Одним из таких инструментов является набор для подготовки библиотек Twist FlexPrep™ UHT, который упрощает и оптимизирует сверхвысокопропускное секвенирование. Созданный на основе технологии Normalization by Ligation™ (NBL) и созданного Twist лигазного фермента с высокой конверсией, набор FlexPrep устраняет необходимость индивидуального количественного определения и выравнивания концентрации образцов перед подготовкой библиотек.

В масштабных исследованиях когор, где входные количества ДНК могут значительно варьировать между образцами, этот один этап традиционно отнимает огромное количество времени и ресурсов. С помощью NBL химия самонормализуется в широком диапазоне входов геномной ДНК — от 30 до 300 нанограмм — что позволяет исследователям полностью пропустить предварительное квантование и объединять образцы на ранней стадии рабочего процесса.

Экономия эффективности значительна. Исследователи могут обработать до 1 152 образцов в одном прогоне на 96-луночной планшете, одновременно сократив потребление дорогостоящих наконечников для пипеток более чем на 75 процентов — с более чем 17 000 до менее чем 4 000 на планшет. То, что ранее требовало двенадцати глубоких планшетов и трудоемкого управления ими, теперь укладывается в три 384-луночных планшета и один 96-луночный к концу дня.

Реальный эффект набора FlexPrep был проиллюстрирован на примере американской компании по генетическому тестированию Gene by Gene, представленной на вебинаре. Столкнувшись с ростом объема проб и ухудшением экономики микромассивов, компания полностью перевела обработку образцов на NGS-рабочий процесс. После интеграции набора FlexPrep с платформой секвенирования Gene by Gene выключила порядка сорока инкубаторов и устранила этапы гибридизации, которые ранее занимали два полноценных рабочих дня. С тем же штатом лаборатория смогла удвоить или утроить объемы обработки.

В отличие от фиксированных зондовых массивов, NGS-рабочий процесс также позволил подбирать глубину секвенирования в зависимости от образца: от 0,5× для простых задач по определению происхождения до 4× для более надежных вызовов вариантов.

После оптимизации подготовки библиотек перед исследователями встает следующий выбор — что секвенировать. Для популяционных исследований, требующих охвата сотен тысяч известных вариантов в масштабных когорт, Twist предлагает Genotyping Panel — Human 600k как альтернативу стандартным генотипирующим массивам. Панель включает 594 275 зондов, нацеленных на более чем 600 000 геномных сайтов, и покрывает наиболее часто используемые варианты в популяционных скрининговых исследованиях и исследованиях ассоциаций по всему геному.

Ключевым является то, что она достигает этого за счет синтеза двухцепочечных ДНК-зондов от Twist, что обеспечивает равномерное покрытие и низкий уровень внецелевых считываний, что отличает NGS-генотипирование от массивных методов. Панель также легко настраивается с помощью пользовательских дополняющих наборов. NGS-подход захватывает контекст вокруг целевых участков зондов, что позволяет обнаруживать новые прилегающие варианты, а не просто подтверждать уже известные.

В сочетании с набором FlexPrep метод NGS может преодолеть барьеры, связанные со стоимостью на образец и пропускной способностью. «Исследователи получают более глубокие и надежные данные при меньшем числе чтений на образец по сравнению как с массивами, так и с конкурентными NGS-панелями», — заявила доктор Лепрусто. «Биобанки, исследователи больших когорт и инициативы по фармакогеномике находят панель Twist Genotyping исключительно полезной. Любые сообщества, желающие перейти от устаревших массивов к секвенированию без разорения бюджета, ее внедряют».

Для исследователей, фокусированных на многоэтнических исследованиях, существует также Twist Diversity SNP Panel. Панель содержит 600 000 зондов, охватывающих примерно 1,4 миллиона однонуклеотидных полиморфизмов, подобранных так, чтобы служить этносу-нейтральным стандартом генотипирования; ее можно использовать автономно или вводить в существующие экзомные рабочие процессы.

В популяционной генетике нет двух одинаковых исследований. Будь то создание репрезентативных баз данных для конкретных этнических групп или проведение GWAS, направленных на варианты, характерные для отдельных сообществ, многие проекты требуют контента, адаптированного под их уникальные цели — что Twist Bioscience поддерживает возможностью кастомизации своих каталожных фиксированных панелей.

С помощью Twist Custom NGS Panels исследователи могут проектировать панели, нацеленные практически на любую геномную область. Запатентованные алгоритмы Twist оптимизируют последовательности зондов для равномерной эффективности захвата. Масштабируемость и гибкость панелей позволяют поддерживать размер пулов от минимальных около 100 зондов до более чем миллиона зондов в одном пуле.

«Исследователь может прийти к нам с идеей или списком мишеней, и мы сможем итеративно разработать дизайн и изготовить промышленно-готовую, очень равномерную кастомную панель в течение нескольких недель — значительно быстрее, чем традиционные методы производства», — поделилась доктор Лепрусто.

Для тех, чьи вопросы выходят за рамки генотипирования и включают поиск редких вариантов, выявление генов, связанных с заболеваниями, или исследовательские экзомные находки, Twist Exome 2.0 дополняет экосистему NGS. Панель обогащает человеческий экзом — порядка 36,5 мегабаз, покрывающих все основные кодирующие белки регионы — используя зонды, спроектированные в соответствии с последними сборками генома и включающие варианты, вызывающие заболевания, из баз данных, таких как ClinVar, ACMG73, GenCode и RefSeq.

В сравнительных исследованиях, проведенных сторонней лабораторией, Twist Exome 2.0 достигала fold-80 показателей 1,3 по сравнению с тремя конкурентами — демонстрируя равномерность покрытия, сопоставимую с любым коммерчески доступным продуктом обогащения экзома. Она также покрывает 97 процентов целевых баз с глубиной 30× при использовании всего 6 Gb секвенирования. Для программ экзомного секвенирования в масштабе популяций, где стоимость последовательного секвенирования на образец строго контролируется, такая эффективность напрямую переводится в возможность работать с большими когортами и быстрее получать ответы.

В одном случае Twist разработала пользовательский дополняющий набор в расширение к Twist Exome 2.0 для Human Pangenome Reference Consortium. В дополнение к аппаратной экосистеме Twist сотрудничает с ведущими партнерами по информатике, такими как SeqOne — платформа биоинформатики NGS с ИИ, обеспечивающая сквозной анализ вариантов.

Более половины населения мира живет в Азии, но континент по-прежнему недопредставлен в геномных базах данных, которые лежат в основе разработки лекарств, прогнозирования риска заболеваний и политики общественного здравоохранения. Заполнение этого разрыва требует как научной строгости для получения высококачественных данных, так и операционной масштабируемости для их генерации на популяционном уровне.

«Эпоха компромиссов с устаревшими микромассивами закончилась», — заявила доктор Лепрусто. «Twist Bioscience предоставляет сверхвысокопропускные, экономичные и очень равномерные инструменты NGS, необходимые для создания по-настоящему репрезентативных многоэтнических баз данных популяционной геномики в масштабах». От подготовки библиотек до генотипирования Twist Bioscience предлагает упрощенный, высокоавтоматизированный рабочий процесс NGS. Для биобанков и исследователей, приверженных созданию более справедливой геномной науки, экосистема NGS Twist Bioscience может оказаться именно тем, что требуется будущему популяционной генетики.

Только для исследовательского использования. Не предназначено для диагностических процедур.