最初のヒトゲノム配列決定には13年の歳月と30億ドルの費用がかかりました。それから10年も経たない今、ある新興企業がわずか15分で全ゲノム配列を解読し、わずか10セントで済むと約束しています。この飛躍的な効率向上と低価格化は、まるでコンピューター業界の話のように聞こえるかもしれません。まさにその通りです。マルチコアプロセッサとカスタマイズ可能なクラスターが遺伝子配列解析に導入されつつあり、現代医学における最も重要な産業の一つに破壊的な変化をもたらす恐れがあります。
オックスフォード・ナノポア・テクノロジーズ社は、同社の新型マイクロシーケンサー（USB電源式で900ドルで販売予定）は、空港のウイルスからジャングル奥地の新種まで、あらゆるものを現場で迅速かつ容易に特定できると発表しました。その仕組みは以下のとおりです。
ヌクレオチド塩基の配列を決定するために、ほとんどのシーケンシングマシンはDNA鎖を分解し、それを複製することで数桁増幅します。コンピューターは、染料やその他の化学物質など、様々な方法を用いてヌクレオチド配列を解析します。例えば、近々発売される1ゲノムあたり1,000ドルのIon Protonチップは、DNA断片を微小なビーズに結合させ、半導体チップ上のマイクロウェル内で回転させます。ウェルにDNAヌクレオチドが一つ一つ充填され、マシンは一致する塩基を探します。一致する塩基が見つかると、正の水素イオンが放出され、アルゴリズムが電圧変化を解釈してどの塩基が一致するかを判断し、塩基配列のチャートを作成します。
オックスフォード・ナノポアの技術は、精製されたDNA鎖をそのままの状態で、タンパク質でできたナノスケールの生物学的「細孔」に通します。ナノポアは1990年代に初めて登場しましたが、様々な理由からまだ市場には出ていません。オックスフォード・ナノポアによると、近年の高分子化学の進歩により、この設計が可能になったとのことです。
同社の設計の核となるのは、マイクロウェル上に設置されたポリマー膜に挿入されたカスタム設計のナノポアです。この膜は高い電気抵抗を持ち、電圧を印加することで電流がナノポアを通過します。各マイクロウェルにはそれぞれ電極が設けられています。ユーザーは精製したDNAをカートリッジに注入すると、DNAは膜上を流れ、ナノポアを通過します。DNA鎖がポアを通過すると、それぞれのヌクレオチドが測定可能な方法で電流を遮断します。この導電性の変化を利用してヌクレオチドを特定することができます。
ナノポアとそのマイクロウェルからなるアレイ全体が、一般的な半導体製造技術を用いてチップ上に埋め込まれ、使い捨てカートリッジに挿入されます。各カートリッジは、ナノポアがDNA、タンパク質、薬剤、その他の化合物など、特定の分子を感知するように調整されています。ユーザーはカートリッジを、昔ながらのVCRのようなGridIONノード、またはやや太めのUSBスティックのようなMinIONシステムなど、選択したシーケンシングノードに挿入します。
各ナノポアは、他のナノポアとは独立してサンプルを分析します。同社によると、この超並列アプローチにより分析速度が向上し、ナノポアは低いエラー率でヌクレオチドをリアルタイムに読み取ることができるとのことです。さらに、GridIONノードはコンピューターと同様にカスタマイズ可能なクラスターとして使用できます。2台のマシンがある場合、2台のマシンとして使用することも、同社広報担当者の説明によると、2倍の速度で動作する1台のマシンとして使用することもできます。ユーザーは必要な構成を決定できます。MinIONデバイスは、同社のソフトウェアとUSBハブを使用することで、クラスターでも動作可能です。
「オックスフォード・ナノポアはバイオテクノロジー企業であると同時にエレクトロニクス企業でもある」と同社CEOのゴードン・サンゲラ氏は語った。
同社は、細菌ウイルスであるファイXファージを用いてこの手法を試し、54,000塩基（5.4キロベース）に及ぶウイルスゲノム全体を一挙に解読した。今年発売される最初のGridIONマシンは100キロベースを読み取る予定で、これは現在のほとんどのシーケンサーが使用するDNA断片よりもはるかに長い。同社によると、これによりDNAの構造をより正確に把握できるようになるという。
GridIONシステムは当初、2,000個のナノポアを備えたノードを搭載し、毎秒数百キロベースの速度でDNAを読み取ります。MinIONカートリッジは、6時間の寿命で毎時150メガベースの読み取り速度を実現します。同社は2013年までに、それぞれ数百キロベースの読み取り能力を持つ8,000個のナノポアを備えたノードの販売を開始する予定です。サンゲラ氏によると、これらのノードを20個クラスター化すれば、理論上はヒトゲノムの32億塩基対を15分以内に配列決定できるとのことです。
