Solexaは数十億の微小なDNA断片を並列に読み取り、Illuminaがその技術を買い取った

ヒトゲノム計画が完了した時点で、その生配列は数百台のキャピラリーシーケンサー上で何年もかけて生成され、およそ3億ドルの費用がかかっていた。そして2007年でも、同じ手法による個人ゲノムの解析には約1000万ドルかかっていた。明らかな次の一手は力ずくの方法だった。すなわち、キャピラリーを増やし、リードを長くし、予算を大きくすることである。

ケンブリッジの化学者シャンカール・バラスブラマニアンとデイビッド・クレナーマンは、1998年6月に正反対の賭けに出てSolexaを設立した。彼らの可逆的ターミネーター化学は3'-O-アジドメチル蛍光ヌクレオチドを用いることで、各取り込みサイクルが過剰取り込みを起こさず実質的に完了するようにし、また改変ポリメラーゼが非天然塩基を受け入れる。撮像後、ブロックと色素が切断され、次のサイクルが始まる。欠けていた要素、すなわち表面に結合した各断片をブリッジ増幅によって明るいクローンクラスターへと増幅する技術は、Solexaが上市前に統合した固相コロニー研究からもたらされた。

2008年の実証はNatureに掲載された。ヨルバ人男性のゲノムから135 Gbの配列を、6台のGenome Analyzer上で8週間かけて生成し、消耗品費は約25万ドル、平均深度40.6倍で参照配列の99.9%以上をカバーし、さらに400万のSNPと40万の構造変異を同定した。テスト用BACにおけるコンセンサス精度は99.999%を超えた。

Solexaは資金を確保するため2005年にLynx Therapeuticsへ逆さ合併していた。2007年1月26日、Illuminaは株式交換による合併を完了してSolexaを完全子会社とし、ガーディアン紙は後にこの取引を約6億5000万ドルと報じた。Genome Analyzerはその年に出荷され、コスト曲線は二度と元に戻らなかった。2014年にはゲノムあたり約1万ドル、2022年には600ドルとなり、Illuminaはシーケンシング市場の約80%を握った。

並列化された数百万のショートリードが、1本のロングリードを凌駕した

1回の実行で数千万のコロニーを撮像する大規模な並列化が、キャピラリー装置の群れに取って代わった。そのためスループットは床面積ではなく、光学系と化学によって拡張された。

ヒト参照ゲノムはすでに存在していたため、ショートリードであることは欠点ではなくなった。ロングリードが担っていたアセンブリの代わりに、アラインメントが用いられたのである。

可逆的な3'ブロックによって各サイクルが実質的に完了するまで進み、塩基ごとの精度が99.999%のようなコンセンサス判定に十分なほど高く保たれた。

Illuminaはこの技術と競争するのではなく買い取ることで、資金難のケンブリッジのスタートアップの化学を独占市場へと変えた。

スループットがボトルネックである場合、作業単位を小さくし、数百万単位で並列に実行する。安価で不完全な操作と外部の地図の組み合わせが、完全だが高価な操作に勝ることがある。

IlluminaはSBSの曲線に乗ってほぼ独占状態に達した。2014年にはシーケンサー市場の約70%、2022年には約80%を占め、NovaSeq Xはスループットを年間2万ゲノムに引き上げ、価格をゲノムあたり200ドルへと押し下げた。Broad Instituteだけでも2022年までに48万6000ゲノム以上をシーケンシングしていた。安価なゲノムは、がんの血液検査、希少疾患の診断、そしてワクチン設計の基盤となったCOVID-19のゲノム監視を支えている。バラスブラマニアンとクレナーマンの化学は、今日生産されるほぼすべてのDNAデータの直接の祖先である。