Solexa las Milliarden winziger DNA-Fragmente parallel und Illumina kaufte den Trick

Als das Humangenomprojekt abgeschlossen war, hatte seine Rohsequenz rund 300 Millionen $ gekostet, erzeugt über Jahre auf mehreren hundert Kapillarsequenzierern, und 2007 kostete ein individuelles Genom mit derselben Methode noch etwa 10 Millionen $. Der naheliegende nächste Schritt war rohe Gewalt: mehr Kapillaren, längere Reads, größere Budgets.

Die Cambridge-Chemiker Shankar Balasubramanian und David Klenerman gründeten im Juni 1998 Solexa auf die entgegengesetzte Wette. Ihre Reversible-Terminator-Chemie verwendet 3'-O-Azidomethyl-fluoreszierende Nukleotide, sodass jeder Einbauzyklus im Wesentlichen vollständig abläuft, ohne Überinkorporation, und eine gentechnisch veränderte Polymerase akzeptiert die unnatürlichen Basen; nach der Bildgebung werden der Block und der Farbstoff abgespalten, und der nächste Zyklus beginnt. Das fehlende Teil – die Amplifikation jedes oberflächengebundenen Fragments zu einem hellen klonalen Cluster durch Brückenamplifikation – kam aus der Festphasen-Koloniearbeit, die Solexa vor dem Start integrierte.

Der Nachweis von 2008 erschien in Nature: 135 Gb Sequenz aus einem männlichen Yoruba-Genom, erzeugt in acht Wochen auf sechs Genome Analyzers zu Verbrauchsmaterialkosten von etwa 250.000 $, bei 40,6-facher durchschnittlicher Abdeckung mit mehr als 99,9 % des Referenzgenoms abgedeckt, dazu vier Millionen SNPs und vierhunderttausend strukturelle Varianten. Die Konsensus-Genauigkeit bei einem Test-BAC überstieg 99,999 %.

Solexa war 2005 durch eine Reverse-Merger in Lynx Therapeutics aufgegangen, um finanziert zu bleiben; am 26. Januar 2007 schloss Illumina eine Aktientausch-Fusion ab, die Solexa zu einer hundertprozentigen Tochtergesellschaft machte, ein Geschäft, das der Guardian später mit etwa 650 Millionen $ bezifferte. Der Genome Analyzer wurde in jenem Jahr ausgeliefert, und die Kostenkurve kehrte nie zurück: etwa 10.000 $ pro Genom im Jahr 2014, 600 $ bis 2022, wobei Illumina rund 80 % des Sequenzierungsmarkts hielt.

Millionen kurzer Reads parallel schlagen einen langen Read

Massive Parallelität – zig Millionen pro Lauf abgebildete Kolonien – ersetzte Flotten von Kapillargeräten, sodass der Durchsatz mit Optik und Chemie skalierte, nicht mit der Stellfläche.

Das menschliche Referenzgenom existierte bereits, sodass kurze Reads kein Mangel mehr waren: Die Alignierung ersetzte die Assemblierung, für die lange Reads gedacht waren.

Der reversible 3'-Block trieb jeden Zyklus im Wesentlichen bis zum Abschluss und hielt die Genauigkeit pro Base hoch genug für Konsensus-Aussagen wie 99,999 %.

Illumina kaufte die Technologie, statt mit ihr zu konkurrieren, und verwandelte die Chemie eines finanzschwachen Cambridge-Startups in einen Markt für einen.

Wenn der Durchsatz der Engpass ist, verkleinere die Arbeitseinheit und führe Millionen parallel aus. Eine billige, unvollkommene Operation plus eine externe Karte kann eine perfekte, teure schlagen.

Illumina ritt die SBS-Kurve zu einem Quasi-Monopol: etwa 70 % des Sequenzierermarkts bis 2014, rund 80 % bis 2022, als der NovaSeq X den Durchsatz auf 20.000 Genome pro Jahr steigerte und den Preis in Richtung 200 $ pro Genom drückte. Allein das Broad Institute hatte bis 2022 mehr als 486.000 Genome sequenziert. Billige Genome bilden die Grundlage für Blutuntersuchungen auf Krebs, die Diagnose seltener Krankheiten und die genomische Überwachung von COVID-19, die die Impfstoffentwicklung anstieß. Die Chemie von Balasubramanian und Klenerman ist der direkte Vorfahre fast aller heute erzeugten DNA-Daten.