Illumina presenta una nueva flota de instrumentos de secuenciación

18 de octubre de 2022 | El reciente Illumina Genomics Forum ocasionó el lanzamiento de varios productos revolucionarios, incluido el primer secuenciador de alto rendimiento para diagnóstico in vitro (IVD) regulado por la FDA y con marca CE (NovaSeq 6000 Dx) y el secuenciador más potente de la empresa hasta la fecha (NovaSeq serie X) que puede ejecutar 20.000 genomas humanos completos al año en un solo instrumento. “NovaSeq X es nuestro secuenciador de alto rendimiento más sostenible, que permite que la gran ciencia sea ciencia ecológica… [in a year] ya está en camino de ser uno de los 20 años más cálidos registrados”, según el director ejecutivo Francis deSouza durante la sesión Innovation Roadmap de Illumina.

La innovadora tecnología de secuenciación de Illumina, en manos de mentes brillantes, ya ha llevado a la ciencia que cambia la vida, dice deSouza. Con la creación de HiSeq X en 2014, rompiendo la barrera de los $1000 para la secuenciación del genoma humano completo, se secuenciaron más genomas en un solo año que en todos los años anteriores combinados. La introducción en 2017 de la popular máquina NovaSeq 6000 de la compañía también ayudó a habilitar el perfil genómico integral a partir de biopsias líquidas.

“Juntos, hemos generado más datos [more than one billion gigabases] que todas las demás plataformas combinadas… el equivalente a seis genomas por minuto”, dice deSouza. Las tecnologías de Illumina han ayudado a reducir los costes de secuenciación y la complejidad de los datos, lo que ha permitido que la genómica clínica se introduzca en mercados regulados. A casi cuatro millones de personas se les ha secuenciado el genoma y han surgido miles de pruebas basadas en la secuenciación de próxima generación, señala.

“Pero incluso con este progreso, apenas hemos arañado la superficie”, continúa deSouza. El conocimiento genómico actual se basa en la secuenciación de menos del 1 % de todas las especies, el 0,07 % de los humanos y el 0,0000001 % de los microbios. “Hoy estamos en un punto de inflexión como ningún otro en la historia de la genómica”.

NovaSeq 6000 Dx ofrece lo que se necesita para desbloquear todo el poder del genoma y realizar nuevos descubrimientos revolucionarios, a saber, «cantidades increíbles de datos, una tecnología increíble y una escala inmensa», dice deSouza. “Estamos superando los límites de las pruebas clínicas con un rendimiento escalable y flexible y una economía mejorada, y lo estamos haciendo accesible para los 1500 millones de personas que viven en países que requieren productos IVD regulados”.

La tecnología ofrece una plataforma abierta con RUO [research use only] y modos IVD y un servidor DRAGEN dedicado, comparte. Los usuarios obtienen un procesamiento de datos automatizado, flexible y de alta calidad para reducir su tiempo de intervención con una cuarta parte de los puntos de contacto. La prioridad de Illumina ahora es la expansión del menú en colaboración con sus socios de IVD “para brindar los más altos estándares de cumplimiento e información procesable para la atención al paciente”, agrega deSouza.

Por separado, la tecnología Illumina Complete Long-Read (anteriormente conocida como Infinity) con análisis DRAGEN demostró su rendimiento superior en términos de brindar la vista más precisa del genoma cuando se probó con conjuntos de datos de evaluación comparativa de la Desafío de la verdad de PrecisionFDA, señala deSouza. “Pero eso no es lo suficientemente bueno”. La compañía ahora «cerrará brechas clave» en el 5% restante de las regiones genéticas que son más difíciles de mapear para ofrecer «una representación completa y precisa del genoma a nivel de una sola molécula».

En 2023, Illumina entregará dos productos de lectura larga «con requisitos de entrada de ADN de velocidad, escala y bajos», informa. El lanzamiento programado para el primer trimestre es un ensayo de genoma completo que utiliza lecturas contiguas largas para ampliar la cobertura y la integridad del genoma 30x de NovaSeq. Illumina Complete Long-Reads ya está «transformando vidas en todo el mundo», dice deSouza, haciendo referencia a su uso en el descubrimiento de variantes raras y ultra raras por parte de Robert Fulton (profesor asistente de genética en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington) y Tracy Cole director de investigación en n-Lorem).

En la segunda mitad del próximo año, Illumina dará a conocer un panel de enriquecimiento para Illumina Complete Long-Reads, dirigido solo a regiones difíciles de mapear del genoma, para ofrecer «rendimiento sin igual al costo incremental más bajo… [and] la vista más completa del genoma a escala en una sola plataforma”.

XLEAP-SBS Chemistry (anteriormente Chemistry X) de Illumina es la secuenciación por química de síntesis más adoptada en la industria, dice deSouza, con un récord de 300 000 publicaciones científicas. “Pero sabíamos que necesitábamos más [and] es por eso que utilizamos la tubería patentada más grande del mundo de desarrollo de tecnología SBS para diseñar un nuevo punto de referencia en la química de secuenciación”.

XLEAP-SBS está diseñado para brindar velocidad y mayor fidelidad con una velocidad de incorporación dos veces más rápida, hasta tres veces más precisión y el potencial para lecturas mucho más largas, continúa. Estará disponible en las plataformas de sobremesa insignia de Illumina, NextSeq 1000/2000, a principios de 2024 y proporcionará una mayor calidad de datos incluso con densidades de celdas de flujo más altas.

Con la adición de la química XLEAP-SBS y las celdas de flujo P4, se espera que las plataformas generen salidas de más de 500 gigabases, dice deSouza. “Estas innovaciones ampliarán la amplitud de las aplicaciones y reducirán aún más los costos de secuenciación”.

Pero Illumina no se detiene allí, dice deSouza al presentar la serie NovaSeq X, porque «la increíble cantidad de datos requiere algo mucho más poderoso». La empresa está posicionando el secuenciador de próxima generación como el ejemplo de la era del genoma, cuando el sueño de encontrar una cura para el cáncer y tratamientos para enfermedades cardíacas y diabetes podría convertirse en realidad.

Las configuraciones de NovaSeq X y NovaSeq X Plus funcionan con XLEAP-SBS y brindan «mejoras masivas en todos los aspectos clave: rendimiento, escala, precisión, simplicidad, eficiencia y costo, y lo haremos de manera más sostenible que nunca». dice de Souza. La versión Plus es capaz de realizar un procesamiento de celda de flujo dual totalmente independiente y ofrece 16 terabases de salida.

Las plataformas NovaSeq cuentan con tres tipos de celdas de flujo con hasta ocho carriles direccionables individualmente y hasta 16 por ejecución, con capacidades de análisis secundario integradas y automatizadas para eliminar los cuellos de botella bioinformáticos, explica deSouza. NovaSeq X Plus tiene el poder de generar 20 000 genomas humanos completos por año, lo que representa un aumento de dos veces y media en el rendimiento para respaldar proyectos más grandes y una secuenciación más profunda que es más rápida que nunca.

Una sola caja contiene todos los consumibles, en comparación con las tres cajas requeridas por NovaSeq 6000, señala. “Hemos reducido el peso de los envases y los residuos, cada uno en un 90 %. También hemos reducido el volumen del cartucho en un 50 %… ahorrando [freezer] espacio, mano de obra y dinero, y redujimos la masa plástica en un 50 %, mientras que los reactivos termoestables proporcionan envío a temperatura ambiente, un cambio de juego genómico”.

Eso significa que no más bolsas de hielo o hielo seco, lo que hace que la secuenciación de alto rendimiento sea más accesible que nunca para los países que no tienen cadenas de frío, dice deSouza. “Estas innovadoras innovaciones ecológicas no solo ayudan a salvar el planeta; también le ahorran tiempo… al desempaquetar y desechar los residuos de embalaje”.

Los científicos, ingenieros, diseñadores y desarrolladores de Illumina dedicaron mucho tiempo a optimizar prácticamente todos los aspectos del flujo de trabajo para que NovaSeq X sea fácil de usar con la menor cantidad de clics posible, continúa. Las máquinas completan automáticamente las ejecuciones planificadas para que los usuarios puedan seleccionar las que deseen y proporcionar información sobre las ejecuciones, por lo que «es realmente difícil cometer un error».

La plataforma NovaSeq X tiene el poder de tres NovaSeq 6000 y un servidor DRAGEN, todo en el espacio de NovaSeq 6000, dice deSouza. Su nueva celda de flujo más pequeña, que es aproximadamente del tamaño de un teléfono celular, también tiene un rendimiento mucho mayor.

Todo el trabajo de rediseño se traduce en la máxima productividad y tiempo de respuesta para los usuarios, y aprovecha al máximo sus preciadas muestras, dice deSouza. Colectivamente, estas innovaciones generan importantes ahorros operativos.

Pero las mejoras económicas no se detienen ahí, agrega. “Ahora puede secuenciar a un precio de lista de $2 por gen o $200 por genoma… [including] el costo del análisis secundario utilizando el DRAGEN a bordo. NovaSeq X fomentará una nueva ola de aplicaciones que requieren más secuenciación por muestra y cohortes más grandes”.

Alex Aravanis, director de tecnología y director de I+D de Illumina, subió al escenario a continuación para hablar sobre los múltiples avances que hicieron realidad la serie NovaSeq X. “Nuestro objetivo era crear una plataforma que le permita realizar los próximos avances científicos, descubrir nuevas dimensiones de la biología, como la epigenética y la proteómica, y acelerar nuestra comprensión de las causas de las enfermedades y encontrar nuevas formas de tratarlas y curarlas. ellos, y sabíamos que la plataforma existente no podía llevarlo allí”, dice.

“Durante cinco años, reinventamos todo, cada pieza de tecnología, desde la química hasta la ingeniería”, dice Aravanis. “Comenzó con la química de secuenciación para lograr un aumento masivo en la producción de NovaSeq X. Necesitábamos ADN más pequeño y denso cúmulos para ser volados con láseres de alta potencia, [and] la logística de la cadena de frío… tenía que irse”.

Si bien la química SBS de Illumina es el estándar de la industria, cuando se probó en las condiciones extremas requeridas, «simplemente no fue lo suficientemente estable», dice. Por lo tanto, el equipo que originalmente inventó SBS se enfrentó al desafío de idear un nuevo SBS que pudiera ser impulsado más fuerte y más rápido para crear miles de estructuras químicas.

“También necesitábamos una nueva ADN polimerasa que pudiera incorporar rápidamente los nuevos nucleótidos”, agrega rápidamente. De hecho, el equipo creó millones de polimerasas candidatas para encontrar la perfecta. Illumina invirtió «más tiempo, dinero y poder científico en el desarrollo de XLEAP que nunca antes en la historia».

Este descubrimiento, junto con los nucleótidos completamente funcionales que son el doble de rápidos, permite que XLEAP realice ejecuciones de un solo día, dice Aravanis. Los enlaces químicos de XLEAP son 50 veces más estables y, por lo tanto, pueden soportar láseres más intensos. Eso se traduce en una mayor precisión, el potencial para tiradas más largas y la capacidad de envío a temperatura ambiente.

XLEAP-SBS es la primera química SBS que se puede enviar en una amplia gama de temperaturas, desde menos 20 grados centígrados hasta 50 grados, y los cartuchos están hechos de plásticos más reciclables, dice. Además de ser biodegradables, los cartuchos son fáciles de usar con carriles direccionables únicos para que los investigadores puedan realizar muchas combinaciones de experimentos.

Illumina aún necesitaba construir celdas de flujo que pudieran empaquetar más secuencias en áreas más pequeñas, para brindar a los usuarios finales más genomas en una sola ejecución, continúa Aravanis. Para llegar a 25 000 millones de lecturas de secuenciación única, la densidad tenía que ser un 320 % mayor que la de NovaSeq existente. No existía tecnología ni procesos de fabricación que pudieran crear ese tipo de celdas de flujo ultradensas, por lo que el equipo de celdas de flujo de Illumina desarrolló una con decenas de miles de millones de nanopozos en ubicaciones fijas.

La industria de los semiconductores ayudaría a construir los componentes a escala nanométrica, lo que permitiría a Illumina pasar a una oblea más grande de 300 milímetros y automatizar el proceso de fabricación, dice Aravanis, «impulsando la escala de rendimiento y reduciendo los efectos de la variabilidad». Junto con el mayor rendimiento de la celda de flujo, eso reduce el costo de uso.

Para garantizar un suministro adecuado y un control de procesos «exquisito», Illumina construyó instalaciones de fabricación de última generación en el Reino Unido, Singapur y San Diego, continúa. Esto ayudará a reducir el costo de los consumibles XLEAP y las celdas de flujo que se utilizarán en NovaSeq X, así como en los próximos instrumentos NextSeq de Illumina.

También se tuvo que crear un sistema de imágenes completamente nuevo para aprovechar al máximo las celdas de flujo y química nuevas y mejoradas, dice Aravanis. El sistema tiene mayor sensibilidad y resolución, cuatro veces más píxeles y el doble de velocidad de datos, y puede escanear la longitud de una celda de flujo en un segundo mientras mantiene un enfoque a escala nanométrica, que él compara con «lanzar una pelota de béisbol desde aquí en San Diego». a Londres y solo estar fuera por el espesor de un cabello humano «.

Los ingenieros ópticos de Illumina inventaron la óptica de alta apertura numérica, «la resolución más alta jamás alcanzada por un secuenciador SBS», para NovaSeq X, comparte Aravanis. Eso, a su vez, requería un nuevo sistema de seguimiento de enfoque con una precisión de menos de 50 nanómetros.

NovaSeq X puede generar imágenes de un carril de arriba a abajo en menos de un segundo y hacerlo miles de veces por ejecución, dice Aravanis. “Eso significa que estamos escaneando 10 veces más ADN en grupos por segundo de lo que puedes hacer ahora”.

Para seguir el ritmo de esta velocidad de secuenciación, el equipo de Illumina tuvo que duplicar la velocidad a la que los datos de imágenes se convirtieron en llamadas base, de 44 horas con NovaSeq 6000 a menos de 24 horas con NovaSeq X, dice Aravanis. Además, actualizaron los componentes informáticos (incluidos los últimos procesadores multinúcleo) para brindar a los usuarios la flexibilidad de ejecutar múltiples celdas de flujo en ejecuciones superpuestas.

Se requiere mucho trabajo para extraer información de los datos de secuenciación, por lo que simplemente proporcionar a los usuarios más datos solo habría agravado el problema, continúa Aravanis. “Entonces, revolucionamos lo que sucede después de la secuenciación pero aún en el secuenciador” al integrar la plataforma DRAGEN para procesar hasta 128 genomas en una sola ejecución. “Cada NoveSeq X ahora comparte una supercomputadora a bordo”.

El equipo de Illumina hizo todo esto sin hacer que NovaSeq X fuera más grande, más pesado o más hambriento de energía, agrega rápidamente. Para empezar, no había espacio de sobra, por lo que los ingenieros miniaturizaron cada componente para empaquetarlo todo. “Ahora, por primera vez, incluso antes de que termine la ejecución, el sistema convierte las llamadas base nativas al formato FASTQ estándar de la industria. .”

La máquina NovaSeq X también reduce drásticamente la cantidad de procesamiento requerido hasta ahora después de que finaliza la ejecución, dice Aravanis. “Esto significa menos personal para administrar los datos y paga mucho menos para obtener su respuesta. A las pocas horas de completar la secuenciación, obtiene el genoma más preciso y completo producido en NovaSeq X sin tener que hacer nada más”. Es importante destacar que toda la reingeniería se traduce en una reducción de cinco veces en la huella de datos de los usuarios y los costos de almacenamiento.

En casos excepcionales en los que se secuencian regiones difíciles de alcanzar, no es necesario cambiar a una máquina diferente, señala Aravanis. La tecnología Illumina Complete Long-Read ofrece una precisión mejorada incluso en regiones de referencia definidas por la FDA.

Dado que no se necesitan lecturas largas contiguas para muchas aplicaciones, agrega, los científicos de Illumina ahora están desarrollando un kit que permite a los usuarios apuntar solo a sus regiones de interés. “No tendrá que secuenciar lo que no necesita y podrá comenzar a usar este kit a fines del próximo año”.

En su resumen, deSouza señala que los primeros usuarios de NovaSeq X citan su promesa de secuenciar cohortes más grandes y diversas e incluso los genomas de naciones enteras para ayudar a desentrañar la base genética de enfermedades comunes. Se considera potencialmente transformador para las operaciones clínicas y de investigación y podría acelerar el camino hacia un genoma de $100. Regeneron, socio de Illumina desde hace mucho tiempo, espera que NovaSeq X lo ayude a secuenciar decenas de millones de exomas y genomas pronto, agrega.

“Cuando mira NovaSeq X, ve nuestro secuenciador más sostenible y potente hasta la fecha, y también espero que vea el sueño, los avances y las vidas que cambiará con esta plataforma”, le dice a su audiencia. “El verdadero poder y potencial de NovaSeq X solo es posible con la asociación… [and]juntos, vamos a cambiar el mundo.”

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