Menu
ABOVE: © The Scientist Staff
We kennen het oude gezegde: noodzaak is de moeder van de uitvinding. Nou, 2020 heeft ons laten zien dat een wereldwijde pandemie een serieuze moeder is. Normaal gesproken richt onze Top 10 Innovations-competitie zich op laboratoriumtechnologieën, instrumenten die zijn ontworpen om de mysteries van de fundamentele biologie te doorgronden. Maar toen biologen zich gingen richten op het begrijpen van SARS-CoV-2, veranderde het innovatielandschap dienovereenkomstig: er werden nieuwe instrumenten ontwikkeld en bestaande technologieën werden aangepast om de pandemie aan te pakken. Daarom organiseert The Scientist dit jaar onze jaarlijkse wedstrijd met uitvindingen die gericht zijn op het begrijpen en uiteindelijk oplossen van het COVID-19-probleem.
Onze onafhankelijke juryleden kozen voor de Top 10 Innovaties van 2020 onder meer laboratoriumtechnologieën, zoals een proteoomanalysator voor eencelligen en een genensynthesizer, naast pandemiegerichte producten, zoals een snelle COVID-19-test, een instrument waarmee antilichaamprofielen uit het bloedplasma van herstellende coronaviruspatiënten kunnen worden gehaald, en een platform voor het karakteriseren van glycanen in het spike-eiwit dat het oppervlak van SARS-CoV-2 beslaat. De concurrentie tussen de geweldige inzendingen was zo hevig dat de Top 10 van dit jaar in feite 12 producten bevat, dankzij een paar gelijke scores.
Zo uitdagend als 2020 voor ons allemaal is geweest, zo veelbelovend heeft dit tumultueuze jaar producten en benaderingen opgeleverd om de complexe wereld van de biologie op te helderen. En meer nog dan dat heeft 2020 aangetoond dat de wetenschappelijke gemeenschap, wanneer zij geconfronteerd wordt met een gemeenschappelijk probleem, de uitdaging kan aangaan en kan samenkomen om zich te heroriënteren, onderzoek te verrichten en te innoveren. Hier presenteert The Scientist de instrumenten en technologieën die deel uitmaken van de Top 10 Innovaties van dit jaar.
Eind maart organiseerde biotechbedrijf AbCellera een telefoongesprek met 40 onderzoekers om de gegevens te bespreken die ze hadden verzameld over potentiële antilichamen tegen SARS-CoV-2. Met behulp van AbCellera’s high-throughput microfluïdica en single-cell analyse tools om monsters van COVID-19 patiënten te onderzoeken, had het team van het bedrijf de genetische sequenties ontcijferd die coderen voor honderden antilichamen die de ziekte zouden kunnen behandelen. Al die gegevens met de hand doorzoeken was echter vervelend, dus voerde het team ze in Celium in, een datavisualisatietool die meer dan een miljoen datapunten van hoge kwaliteit voor die antilichamen doorsnijdt om te onthullen welke het best zouden kunnen werken bij patiënten als een potentiële therapie. In real time, tijdens het gesprek, gebruikten de onderzoekers Celium om die verbanden te onderzoeken en zich te richten op het LY-CoV555 antilichaam dat maanden later klinische proeven inging als een mogelijke COVID-19 behandeling, zegt Maia Smith, hoofd van de datavisualisatie bij AbCellera en maker van Celium. “
Voordat Celium in 2017 op de markt kwam, kregen wetenschappers die met AbCellera werkten om antilichamen te vinden, complexe spreadsheets met gegevens terug die moeilijk te navigeren waren, en het was moeilijk om te weten waar te beginnen, zegt Smith. Met Celium worden de gegevens in een visueel formaat gepresenteerd en de tool “helpt je de juiste molecule voor je behoeften te identificeren,” vertelt Fernando Corrêa, een proteïne-ingenieur bij Kodiak Sciences in Palo Alto, Californië aan The Scientist. Hij werkt samen met AbCellera om antilichamen te identificeren voor de behandeling van netvliesaandoeningen, en zegt dat het pakket van microfluïdica, eencellige analyse en datavisualisatietool van het bedrijf “het proces van antilichaamontdekking op een gebruiksvriendelijke manier stroomlijnt.”
KAMDAR: “AbCellera’s reactie op de pandemie onderstreept de echte kracht van het Celium-platform op het snijvlak van biologie en AI om razendsnel nieuwe antilichaamontdekkingen te doen.”
Abbott ID NOW COVID-19 Test
Sinds 2014, heeft het ID NOW-systeem van Abbott artsen geholpen bij het opsporen van influenza A en B, streptokokken, respiratoir syncytieel virus (RSV) en recentelijk SARS-CoV-2, in minder dan 15 minuten. Het apparaat ter grootte van een broodrooster werkt door neusmonsters te verhitten in een zure oplossing die het omhulsel van de virussen openbreekt, waardoor hun RNA vrijkomt, dat ID NOW amplificeert bij een constante temperatuur in plaats van de verhittings- en afkoelingscycli die PCR-machines gebruiken. De COVID-19 ID NOW-test, die eind maart noodtoestemming kreeg van de Amerikaanse Food and Drug Administration, was een van de eerste tests die toegankelijk waren voor het Amerikaanse publiek.
Norman Moore, Abbott’s directeur van wetenschappelijke zaken voor infectieziekten, zegt dat de korte doorlooptijd van de test van cruciaal belang is om de verspreiding van virussen te stoppen. “Je bent het meest besmettelijk in een vroeg stadium – en als we dat resultaat niet tijdig hebben, wat helpt het dan als een moleculaire test twee weken later terugkomt?”, vertelt hij The Scientist.
Met meer dan 23.000 ID NOW-apparaten in gebruik in de VS, voornamelijk in spoedeisende zorgklinieken en apotheken, zegt Moore dat zijn team bezig is met het ontwikkelen van tests die compatibel zijn met het platform voor andere infectieziekten, zoals seksueel overdraagbare aandoeningen.
J.D. Zipkin, chief medical officer van GoHealth Urgent Care, die samenwerkt met San Francisco International Airport om de ID NOW COVID-19-test aan reizigers toe te dienen, noemt de test een game changer. “
Het ID NOW-platform kost $4.500 en elke COVID-19-test kost $40.
CRUICKSHANK-QUINN: “De mogelijkheid om COVID-19-testresultaten te ontvangen van een keel- of neusswab in minder dan 15 minuten kan ziekenhuizen, scholen, of elke andere instelling de mogelijkheid bieden om snel personen te testen om te bepalen wie thuis zelfisolatie nodig zou hebben. Omdat het lichtgewicht en draagbaar is, kan het in het veld en op mobiele locaties zoals drive-thru testlocaties worden gebruikt.”
BioLegend TotalSeq™-C Human Universal Cocktail v1.0
In 2017 publiceerden onderzoekers van het New York Genome Center een nieuwe aanpak genaamd CITE-seq die wetenschappers in staat stelt eiwitten in individuele cellen te beoordelen op hetzelfde moment dat ze single-cell transcriptomics doen. CITE-seq werkt door antilichamen te koppelen aan oligonucleotiden die uiteindelijk kunnen worden gesequenced om te onthullen of doeleiwitten aanwezig waren en werden gekoppeld aan hun overeenkomstige antilichamen. BioLegend heeft een licentie voor CITE-seq en heeft de TotalSeqTM-C Human Universal Cocktail v1.0 ontwikkeld, een verzameling van 130 oligo-gekoppelde antilichamen voor massale screening van de cel-oppervlakte-eiwitten van individuele cellen, voor gebruik op een single-cell sequencing-platform van 10X Genomics.
In tegenstelling tot proteomics-benaderingen die zijn gebaseerd op visuele beoordeling van gemerkte eiwitten, “is er geen theoretische limiet meer voor het aantal eiwitten dat je kunt ,” zegt BioLegend’s Head of Proteogenomics Kristopher “Kit” Nazor, eraan toevoegend dat het bedrijf al bezig is om het aantal antilichamen in de cocktail uit te breiden. “Dat vergroot de kans op onbevooroordeelde ontdekking enorm.”
“Het is in veel opzichten baanbrekend,” zegt immunoloog en genomicus Alexandra-Chloé Villani van het Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, en het Broad Institute van MIT en Harvard University. Zoals vele onderzoekers, heeft Villani, die een van de coördinatoren is van het immuuncelsegment van de Human Cell Atlas, zich dit jaar toegelegd op het bestuderen van COVID-19. Ze heeft al gebruik gemaakt van BioLegend’s cocktail, begin augustus gelanceerd voor een prijs van $ 5.350 voor vijf single-use flesjes, om bloedmonsters te analyseren van bijna 300 patiënten die positief testten op SARS-CoV-2.
“Wanneer je oppervlakte-eiwit en RNA in dezelfde cel hebt, helpt het ons echt om een meer granulaire definitie af te leiden van de immuuncellen die betrokken zijn” bij de reactie op infectie, zegt Villani. “Ik ken eigenlijk veel collega’s in de Verenigde Staten en Europa die ditzelfde panel hebben gebruikt om hun COVID-cohorten te analyseren… wat betekent dat we al onze gegevens kunnen combineren en vergelijken. En dat is ongelooflijk.”
MEAGHER: “Dit is echt een mooie samensmelting van next-gen sequencing als digitale readout voor sequentiebarcodes en single-cell barcoding technologie om single-cell kwantitatieve proteomics mogelijk te maken.”
Seven Bridges GRAF™
De release van het menselijke referentiegenoom in 2013 was een enorme sprong voorwaarts voor de biologie, maar wat betreft de daadwerkelijke representatie van de mensheid schoot het behoorlijk tekort. Onze genomen zitten vol met varianten die niet voorkomen in het referentiegenoom, dat is opgebouwd uit een kleine steekproef van individuen, voornamelijk van Europese afkomst. Om rekening te houden met de menselijke genetische diversiteit heeft het bio-informatica bedrijf Seven Bridges een genomisch analyse platform ontwikkeld, GRAF genaamd, dat probeert alle mogelijke iteraties van genetische sequenties op een gegeven locus op te nemen. De resulterende GRAF/Pan Genome Reference is een grafiek van de bekende varianten op bepaalde punten in het genoom, in plaats van een lineaire referentiesequentie. Wanneer genomen worden uitgelijnd met de GRAF-referentie, worden eventuele deleties, inserties, single nucleotide polymorfismen of andere variaties daarom niet gemist zoals ze zouden kunnen zijn wanneer ze worden uitgelijnd met het lineaire referentiegenoom.
Met het doel om de aanwezigheid van ondervertegenwoordigde groepen in genomisch onderzoek te stimuleren, kondigde Seven Bridges in juni aan dat de toegang tot zijn GRAF Germline Variant Detection Workflow en GRAF/Pan Genome Reference gratis zou zijn voor academische onderzoekers. “
Dit is de eerste workflow op productieniveau die informatie over voorouders en diversiteit van het menselijk genoom integreert om verbeterde variant calls en alignment te bieden,” zegt de chief scientific officer van het bedrijf, Brandi Davis-Dusenbery.
“De hoop is dat je, door rekening te houden met die complexiteit in de analyse, dingen zult zien die je miste,” zegt Bruce Gelb, de directeur van het Mindich Child Health and Development Institute aan de Icahn School of Medicine van Mt. Sinai. “Dat idee zweeft al een paar jaar rond, maar niemand vóór wat Seven Bridges doet, heeft een op grafieken gebaseerde aanpak geïmplementeerd die praktisch is. Zij zijn de eersten die dat doen.”
Gelb heeft het GRAF-platform gebruikt om te zoeken naar varianten die verband houden met aangeboren hartafwijkingen en heeft die varianten vergeleken met wat opduikt als hij traditionele sequentieanalyses gebruikt. Tot nu toe, zegt hij, lijkt het erop dat GRAF sommige varianten identificeert die anders over het hoofd zouden zijn gezien.
CRUICKSHANK-QUINN: “Het feit dat Seven Bridges GRAF vrij beschikbaar wordt gesteld aan academische instellingen zal zeker de weg vrijmaken naar precisiegeneeskunde door onderzoeksvooruitgang mogelijk te maken bij ondervertegenwoordigde populaties zonder de strijd van kosten voor academische onderzoekers.”
OXGENE TESSA
Een centrale uitdaging bij het leveren van gentherapieën aan de cellen van patiënten zijn de kosten voor het maken van adeno-geassocieerd virus (AAV), een veelgebruikte vector voor interessante genen, zegt Ryan Cawood, CEO van het in het VK gevestigde biotechbedrijf OXGENE. “Het eerste AAV-gentherapieproduct dat in de EU werd goedgekeurd, kostte een miljoen pond per dosis,” zegt hij. “Als je een ziekte wilde behandelen die je op duizenden mensen kon toepassen, kon je er gewoon niet genoeg van maken tegen een kostprijs die het levensvatbaar zou maken.”
Huidig, zegt Cawood, worden partijen gekweekte menselijke cellen getransfecteerd met meerdere plasmiden om ze aan te zetten tot het maken van AAV-vectoren die een geselecteerd gen bevatten. Maar de plasmiden zijn duur om te maken, en het transfectieproces is niet erg efficiënt. Infectie met adenovirussen daarentegen zet cellen er op natuurlijke wijze toe aan om de replicatie van AAV’s te activeren. Het probleem is dat de adenovirussen zichzelf ook repliceren en het resulterende AAV-product verontreinigen. Om dit probleem te omzeilen bedacht OXGENE een genetische schakelaar die de activiteit van een adenovirus halverwege zijn levenscyclus in een cel uitschakelt, zodat de cel geprogrammeerd wordt om AAV-deeltjes te produceren maar geen adenovirus te maken. “Wanneer het virus naar binnen gaat, komt er alleen AAV uit; er komt geen adenovirus meer naar buiten”, aldus Cawood. Het bedrijf is in september begonnen met de verkoop van zijn virale vector voor onderzoek, die het TESSA noemt, en is van plan om volgend jaar te beginnen met het aanbieden van materiaal voor klinische toepassingen, voegt hij eraan toe. De kosten voor de vector voor onderzoek beginnen bij £5,000, en zijn afhankelijk van de grootte van de partij cellen die moet worden geïnfecteerd.
BLAINEY: “Ondersteunt de vertaling van gentherapieën. Demonstreert de biotechnische waarde van biologische engineering.”
Codex DNA BioXp™ 3250 System
Biotechbedrijf Codex DNA bracht in augustus 2020 het BioXp™ 3250 systeem uit als opvolger van de BioXp™ 3200, die in 2014 op de markt kwam. Het geautomatiseerde platform voor on-demand DNA-assemblage en -amplificatie stelt onderzoekers in staat om genen en genomen sneller dan ooit te synthetiseren, met het potentieel om de ontwikkeling van vaccins, diagnostica en behandelingen te versnellen, zegt Peter Duncan, directeur productmanagement bij Codex DNA. De apparatuur kan worden gebruikt op kankercellen of een verscheidenheid aan infectieuze agentia, waaronder SARS-CoV-2.
Zonder BioXp™ 3250 of zijn voorganger, moeten laboratoria die DNA-fragmenten, klonen of volledige genomen willen synthetiseren, monsters opsturen om door een derde partij te worden verwerkt. Naast de transportkosten kan deze verwerking weken of maanden duren. Met de BioXp™ 3250, met een prijs van $ 100.000, kunnen DNA-sequenties tot 7.000 basenparen in een kwestie van dagen worden geassembleerd, met een druk op de knop.
In plaats van genetische scripts op een computer te moeten coderen voor specifieke experimenten, kunnen klanten een module bestellen die binnen ongeveer twee dagen kant-en-klaar wordt geleverd. De module heeft een streepjescode met alle nodige informatie; wanneer gescand door het apparaat, instructies voor de synthese van het gewenste DNA worden geüpload. Een laborant hoeft alleen maar de module in het apparaat te plaatsen en op start te drukken, zegt Duncan.
“De BioXp heeft ons in staat gesteld eenvoudige subkloneringsstappen handsfree uit te voeren,” vertelt Mark Tornetta, VP Biologics Discovery bij Tavotek Biotherapeutics, in een e-mail aan The Scientist, waarin hij beschrijft hoe het lab het apparaat gebruikt om NGS-bibliotheken te genereren. “Al deze methoden op de BioXP besparen ons tijd en kosten om uit te voeren.”
BLAINEY: “Democratisering van gen-synthese door het plaatsen van mogelijkheden in individuele laboratoria voor een snellere doorlooptijd en lagere kosten bij hoge doorvoer.”
IsoPlexis Single-Cell Intracellular Proteome
.png)
De Single-Cell Intracellular Proteome-oplossing van IsoPlexis is voortgekomen uit verschillende laboratoria bij Caltech, die allemaal op zoek waren naar betere manieren om eiwit-eiwitinteracties
in kankercellen te monitoren met het doel gerichte behandelingen te ontwikkelen. Met traditionele methoden zoals Western blot, massaspectrometrie en flowcytometrie kunnen slechts een paar soorten eiwitten op een bepaald moment worden gevolgd. Met het systeem van Isoplexis, dat in juli werd gelanceerd, kunnen onderzoekers 30 of meer eiwitroutes volgen, met resultaten die dezelfde dag nog beschikbaar zijn.
Met eerdere technologie werd fosforylering gebruikt om de functie van de individuele eiwitten te identificeren, zonder inzicht in hoe ze samenwerken. Het Single-Cell Intracellular Proteome onthult de functie op dezelfde manier, maar is ook in staat om de context van hele eiwit-signaleringspaden te bieden, waardoor wordt onthuld hoe het netwerk als geheel functioneert.
Inzicht in het hele netwerk van cellulaire paden stelt onderzoekers in staat om de downstream-effecten van afwijkende cellen beter te begrijpen, zegt Sean Mackay, CEO en mede-oprichter van IsoPlexis. Bij kankers, voegt hij eraan toe, helpt deze aanpak bij het evalueren van de werkzaamheid van gerichte behandelingen, zoals antilichaamtherapieën of kleine molecuulgeneesmiddelen.
“Dergelijke paden bepalen in feite hoe cellen worden geactiveerd, is vooral belangrijk voor kanker, waar geactiveerde fosfoproteïnesignalering niet alleen een kenmerk van kanker is,” zegt James Heath, die acht jaar geleden het Caltech-lab leidde dat de technologie creëerde, “maar ook een belangrijk aandachtspunt is van gerichte remmers.”
MEAGHER: “De Single-Cell Intracellular Proteome-oplossing maakt gebruik van innovatieve microfluïdica om wat lijkt op beproefde ELISA-chemie te schalen tot op het niveau van enkele cellen.”
GigaGen Surge
Wetenschappers hebben gebruik gemaakt intraveneus immunoglobuline (IVIG) voor de behandeling van immunodeficiënte of immuunsuppressieve patiënten en herstellend plasma voor de behandeling van infectieziekten, al meer dan een eeuw lang. En plasma is een van de vele behandelingen die nu voor COVID-19 worden uitgeprobeerd. Maar biologische monsters afkomstig van donoren zijn niet de meest gestandaardiseerde therapeutica. Het Surge-platform van GigaGen, dat gebruik maakt van sequencing van één cel om bibliotheken van antilichamen van bloeddonoren te “vangen en opnieuw te creëren”, is nu beschikbaar. Om deze bibliotheken te maken, laat het bedrijf bloedmonsters van donoren door het Surge-platform lopen om individuele antilichaam-producerende B-cellen in microdruppels te isoleren en het RNA te extraheren dat voor de antilichamen codeert. Uit deze genetische sequenties kunnen zij een “blauwdruk van het immuunsysteem van die persoon maken”, zegt David Johnson, CEO van GigaGen.
Onderzoekers van het bedrijf selecteren vervolgens enkele van deze antilichamen om deze in zoogdiercellen te ontwikkelen tot een recombinante antilichaambehandeling, die volgens hen veel krachtiger is dan herstellend plasma of IVIG, gebaseerd op in-vitro-experimenten en tests in diermodellen. GigaGen is momenteel niet van plan Surge te verkopen, maar heeft het platform gebruikt om behandelingen te ontwikkelen voor kankers, immunodeficiëntie-aandoeningen en, recentelijk, COVID-19. GigaGen hoopt begin 2021 te kunnen beginnen met klinische proeven voor hun COVID-19-behandeling, die meer dan 12.500 antilichamen van 16 donoren gebruikt. Het doel van Surge is om “de complexiteit van het immuunsysteem te ontrafelen”, zegt Johnson, en vervolgens antilichaambehandelingen op maat te maken die de sterkste respons uitlokken.
Fred en Vicki Modell, die de Jeffrey Modell Foundation hebben opgericht nadat hun zoon Jeffrey op 15-jarige leeftijd overleed aan complicaties van primaire immunodeficiëntie, zeggen dat ze op zoek zijn geweest naar een alternatief voor IVIG, dat soms schaars is en bij veel patiënten tot bijwerkingen kan leiden. ” geeft het grootste geschenk van allemaal – ze geven hoop aan patiënten,” zegt Fred Modell.
CRUICKSHANK-QUINN: “Door het combineren van single-cell emulsie druppel microfluidics technologie, genomica, en eiwitbibliotheek engineering, deze antilichaam geneesmiddel therapie, indien succesvol, zou een revolutie kunnen betekenen voor COVID-19 behandeling, evenals behandelingen voor vele verschillende ziekten.”
10X Genomics Chromium Single Cell Multiome ATAC + Gene Expression
Een paar jaar geleden, lanceerde 10X Genomics een assay, ATAC-seq, om regio’s met open chromatine in afzonderlijke cellen te identificeren; Het product kreeg een plaats in The Scientist’s 2019 Top 10 Innovations. Volgens product marketing manager Laura DeMare duurde het niet lang voordat klanten om meer vroegen, met feedback in de trant van: “‘Dit is geweldig, maar we zouden heel graag de genexpressie-informatie en de ATAC-seq-informatie in dezelfde cel krijgen.'” In september rolde 10X Chromium Single Cell ATAC + Gene Expression uit, waarmee zowel epigenetische als genexpressiegegevens van individuele kernen worden geoogst.
Het platform labelt mRNA en open chromatinefragmenten van elke kern met DNA-barcodes, legt DeMare uit, en de nucleïnezuren worden vervolgens versterkt en geanalyseerd. “Je kunt een verband leggen tussen de regulerende elementen in het genoom die genen in- of uitschakelen,” zegt ze. Het kost ongeveer 2.400 dollar per reactie voor de reagentia en een microfluïdische chip.
Ansu Satpathy, een immunoloog aan de Stanford University School of Medicine en een voormalig postdoc van ATAC-seq codeontwikkelaar Howard Chang, vertelt The Scientist dat hij de nieuwe assay gebruikt om de effecten te onderzoeken van epigenetische veranderingen die gepaard gaan met uitputting van T-cellen in tumormonsters die zijn genomen bij kankerpatiënten. Wanneer T-cellen uitgeput raken, worden ze minder effectief in de strijd tegen kanker, en “wat we nu doen met de gecombineerde RNA- en ATAC-methode is vragen: hoe reguleren elk van deze moleculaire schakelaars genen die leiden tot dit disfunctionele resultaat in de cel?” Satpathy zegt.
KAMDAR: “Deze aanpak maakt het mogelijk, voor de eerste keer, de gelijktijdige profilering van het epigenoom en transcriptoom van dezelfde enkele cel, waardoor een beter begrip van celfunctionaliteit mogelijk wordt.”
10X Genomics Visium Spatial Gene Expression Solution
In de afgelopen jaren heeft single-cell transcriptomics een schat aan genexpressie-informatie opgeleverd voor individuele cellen en celtypen. Nu brengt 10X Genomics de nieuwere technologie van ruimtelijke transcriptomics op de markt, die volledige transcriptoomgegevens oplevert voor slechts één of enkele cellen en precies laat zien waar in een weefselmonster die genexpressie plaatsvindt. De Visium Spatial Gene Expression Solution, gelanceerd in oktober 2019, stelt 55-micrometer gebieden op 5.000 locaties binnen een weefselmonster bloot aan mRNA-bindende oligonucleotiden, en overlapt de resulterende genexpressiegegevens met histologische beelden.
De technologie werd ontwikkeld en oorspronkelijk op de markt gebracht door het Zweedse bedrijf Spatial Transcriptomics, dat 10X Genomics in 2018 overnam. Vervolgens ontwikkelde 10X het product verder voordat het vorig jaar Visium lanceerde. De Visium Spatial Gene Expression Solution, die wordt verkocht voor $ 1.000 per monster, heeft kleinere en dichter opeengepakte spots – en vijf keer meer – dan toen het bedrijf het erfde, zegt Nikhil Rao, 10X Genomics’s directeur van strategische marketing voor het ruimtelijke platform. Dit verhoogt de resolutie, legt hij uit. “We hebben ook de gevoeligheid van de assay drastisch verbeterd, waardoor we tienduizenden unieke moleculaire identifiers per spot kunnen oppikken.”
Rao zegt dat veel van de gebruikers van Visium zich richten op neurowetenschappen, bijvoorbeeld bij het bestuderen van neurodegeneratieve ziekten. Maar het product wordt ook gebruikt in de ontwikkelingsbiologie, oncologie en immunologie. Computerbiologe Elana Fertig van de Johns Hopkins University heeft Visium gebruikt om te begrijpen hoe kanker zich tegen behandeling kan verzetten. “Doordat je de ruimtelijke informatie van deze cellen hebt, kun je echt de moleculaire mechanismen achterhalen waarbij ze direct op elkaar inwerken, omdat je kunt zien of de cellen fysiek op elkaar inwerken,” legt ze uit.
MEAGHER: “Dit is een andere grens in de biologie: niet alleen genexpressie van een of enkele cellen, maar nu het verzamelen van genexpressiegegevens met ruimtelijke resolutie op het niveau van enkele cellen.”
Inscripta, Inc. Onyx™ Digital Genome Engineering Platform
Hoewel CRISPR-gebaseerde genoombewerking een wijdverbreide techniek is geworden in laboratoria over de hele wereld, zijn er onderzoeksvragen die een schaal van nucleotide knutselen vereisen die omslachtig, zo niet onbetaalbaar, kan zijn voor sommige laboratoria. Het Onyx™ Digital Genome Engineering Platform van Inscripta Inc. biedt een oplossing: volledig geautomatiseerde genoom-engineering bibliotheken met honderdduizenden afzonderlijke bewerkingen in microbiële genomen. Het benchtop-apparaat, dat in oktober 2019 werd gelanceerd en voor $ 347.000 verkoopt, stelt gebruikers in staat om gewenste varianten in het DNA van E. coli-bacteriën en S. cerevisiae-gist te planten, en het instrument zorgt voor de rest.
Het platform combineert alles, van de algoritmen voor het optimaliseren van het bewerkingsproces tot de microfluïdica voor het hanteren van cellen en de reagentia zelf. “Biologen hoeven zich geen zorgen meer te maken over de technische optimalisatie en kunnen zich nu richten op elk probleem in de biologie”, zegt Nandini Krishnamurthy, de vice-president van applicatieontwikkeling bij Inscripta.
Shelley Copley, een moleculair bioloog aan de Universiteit van Colorado Boulder, is een vroege tester van Onyx. Zij gebruikt het om de effecten te onderzoeken van synonieme mutaties, mutaties die het resulterende eiwit niet veranderen, op de fitness in E. coli. “Het high-throughput gedeelte is van cruciaal belang om dit te kunnen aanpakken,” zegt zij. In plaats van te proberen elke mutatie die ze wil onderzoeken één voor één te ontwikkelen, stelt Onyx Copley in staat alle 50.000 varianten te genereren. Haar team kan dan meteen overgaan tot de geschiktheidstests. “Ik ken geen andere technologie die dat kan.”
KAMDAR: “CRISPR is een krachtig middel om genomen te bewerken en functionele beoordelingen mogelijk te maken die causaliteit kunnen ophelderen en ons begrip van de genoombiologie kunnen verbeteren. Maar deze resultaten zullen niet worden bereikt zonder een aantal technische en schaalbaarheidsuitdagingen te overwinnen. Dit is wat het Onyx Digital Genome Engineering Platform mogelijk maakt.”
MOBILion SLIM
John McLean, een bioanalytisch chemicus aan de Vanderbilt University, wil precies weten wat er in een gaswolk zit, tot en met de laatste lipidemolecuul van een verdampt bloed- of weefselmonster. Jarenlang heeft hij massaspectrometrie gebruikt om verbindingen in een monster naar gewicht te catalogiseren. Soms kunnen verschillende moleculen dezelfde massa en dezelfde atoomsamenstelling hebben, waardoor het moeilijk is ze van elkaar te onderscheiden. Bij ion-mobiliteitsscheiding worden gasmonsters door meterslange buizen geleid om moleculen te onderscheiden naar vorm en structuur, waardoor het massaprobleem wordt omzeild. Maar omdat de techniek tientallen jaren geleden is ontworpen, heeft zij nog niet dezelfde resolutie als massaspectrometrie. Om een vergelijkbare resolutie te bereiken, zou het ionenscheidingsinstrument een buis van 13 meter nodig hebben.
Het maken van een lineaire buis van die lengte is onpraktisch vanwege de beperkte ruimte in het lab. Dus begonnen Richard Smith van het Pacific Northwest National Laboratory en collega’s een paar jaar geleden te brainstormen over manieren om ionen een bocht te laten maken. Die discussie leidde tot de ontwikkeling van MOBILION’s SLIM, of Structures for Lossless Ion Manipulation, een instrument met een 13-meter spoor gesneden als switchbacks in twee printplaten die passen in een 3-meter lange doos; het apparaat levert gegevens over de grootte en vorm van verbindingen in monsters in minuten. SLIM “onthult het ongeziene,” zegt Laura Maxon, MOBILion’s hoofd van business development en bedrijfsstrategie, “zonder dat dit ten koste gaat van de tijd.” Deze eerste iteratie van SLIM, die MOBILion in het tweede kwartaal van 2020 als bètaversie begon te implementeren bij early adopter-medewerkers, is gebouwd voor wetenschappers in een academische omgeving voor farmaceutisch of klinisch onderzoek. De prijs is concurrerend met bestaande technologieën, merkt ze op, en het bedrijf is van plan om het instrument te ontwerpen voor gebruik in de kliniek om biomarkers van ziekte te identificeren.
“Wat we vandaag zien, van MOBILion op SLIM, is slechts het topje van de ijsberg,” zegt McLean. “Er is nog veel onbenut potentieel vanuit een analytisch standpunt,” dus “mensen moeten echt enorme vooruitgang verwachten voor deze technologieën.”
BLAINEY: “Ion-selectieve chromatografie staat centraal in de biochemie. Mooie integratie van micro-elektronische technologie met biotechnologie. “
DE JUIS
Paul Blainey
Hoogleraar biologische techniek aan het MIT en kernlid van het Broad Institute van MIT en Harvard University. Het Blainey lab integreert nieuwe microfluïdische, optische, moleculaire en computationele tools voor toepassing in biologie en geneeskunde. De groep legt de nadruk op kwantitatieve enkel-cel en enkel-molecuul benaderingen, met als doel studies mogelijk te maken die gegevens genereren met de kracht om de werking van natuurlijke en gemanipuleerde biologische systemen over een reeks van schalen te onthullen. Blainey heeft in zijn rangschikking geen rekening gehouden met producten die door 10X Genomics zijn ingediend, vanwege zijn financiële banden met het bedrijf.
Charmion Cruickshank-Quinn
Application scientist at Agilent Technologies.Previously, she was a postdoctoral fellow at the University of Colorado Denver – Anschutz Medical Campus, a research fellow at National Jewish Health in Denver, and a graduate student at the State University of New York at Buffalo, where she worked in the instrument center.
Kim Kamdar
Managing partner at Domain Associates, a healthcare-focused venture fund creating and investing in biopharma, device, and diagnostic companies. She began her career as a scientist and pursued drug-discovery research at Novartis/Syngenta for nine years.
Robert Meagher
Principal member of Technical Staff at Sandia National Laboratories. Zijn voornaamste onderzoeksinteresse is de ontwikkeling van nieuwe technieken en apparatuur voor de analyse van nucleïnezuren, met name toegepast op problemen op het gebied van infectieziekten, biologische defensie en microbiële gemeenschappen. Recentelijk heeft dit geleid tot benaderingen voor vereenvoudigde moleculaire diagnostiek voor opkomende virale pathogenen, die geschikt zijn voor gebruik op de plaats waar de behoefte zich voordoet of in de ontwikkelingslanden. De opmerkingen van Meagher geven zijn professionele mening weer, maar vertegenwoordigen niet noodzakelijkerwijs de standpunten van het Amerikaanse ministerie van Energie of de regering van de Verenigde Staten.
Opmerking van de redacteur: De juryleden hebben zich gebogen over tientallen inzendingen van bedrijven en gebruikers voor een verscheidenheid aan biowetenschappelijke producten. De jury beoordeelde de inzendingen met slechts basisinstructies van The Scientist, en de leden werden uitgenodigd om deel te nemen op basis van hun bekendheid met life science tools en technologieën. Met uitzondering van Paul Blainey, die financiële banden heeft met 10X Genomics en daarom de producten van dat bedrijf niet heeft meegenomen in zijn rangschikking, hebben zij geen financiële banden met de producten of bedrijven die betrokken zijn bij de wedstrijd. In dit nummer van The Scientist zijn advertenties van winnaars die in dit artikel worden genoemd, gekocht nadat onze onafhankelijke jury de winnende producten had geselecteerd, en ze hadden geen invloed op de uitslag van de wedstrijd.