Ion Torrent测序仪的开山之作在《Nature》上发表

生物通报道 来自Life Technologies的研究人员近日在《Nature》在线版上发表了一篇文章，介绍他们如何利用半导体测序的策略对细菌基因组和人类基因组进行测序。与一般的测序平台不同，Ion Torrent测序平台的核心是一块创新的半导体芯片，其中包含了数百万个孔和感应器。这块离子芯片所使用的电子检测系统简化了测序过程，并大大降低了测序仪的费用。

生物通报道 来自Life Technologies的研究人员近日在《Nature》在线版上发表了一篇文章，介绍他们如何利用半导体测序的策略对细菌基因组和人类基因组进行测序。

这次被测序的人是英特尔的共同创始人之一、摩尔定律的提出者戈登•摩尔先生。今年初，Life Technologies的Jonathan Rothberg（Ion Torrent的创始人和董事长）就曾表示，Ion Torrent已利用其PGM完成对摩尔基因组的测序，令摩尔成为第一个用“post-light”测序技术测序的人。此外，研究小组还对三种细菌（费氏弧菌、大肠杆菌和沼泽红假单胞菌）的基因组进行了测序。

与一般的测序平台不同，Ion Torrent测序平台的核心是一块创新的半导体芯片，其中包含了数百万个孔和感应器。这块离子芯片所使用的电子检测系统简化了测序过程，并大大降低了测序仪的费用。仪器中没有光学组件，而主要是由电子读取器、微处理器和流体系统组成的。

研究人员首先利用此平台对费氏弧菌和沼泽红假单胞菌进行了de novo基因组测序，覆盖度分别为6.2倍和6.9倍。之后，他们利用更大的离子芯片，对大肠杆菌的基因组进行了3次测序，覆盖度在11.3-58.4之间。

研究人员报道，对于每次读取的前50个碱基，每个碱基的准确率超过99.6%，对于前100个碱基，大约在98.9%。在包含均聚物的部分基因组，准确率有所下降，但5碱基均聚物的准确率仍达到97.3%。读长基本在100 bp左右，但有些也达到了200 bp甚至更长。

之后，研究人员扩大了芯片上感应器的数量，以便追踪人类基因组。他们利用大约1000块离子芯片，对摩尔先生的核基因组进行了测序，平均覆盖度达10.6倍。同时，他们还获得了其线粒体基因组的732倍覆盖。

在核基因组的分析过程中，研究小组发现了大约260万个SNP。其中99.95%的杂合基因型和99.97%的纯合基因型通过ABI SOLiD产生的序列得到了验证。

作者在文中提到，他们第一次证明了能制造并使用一块一次性的集成电路来开展细菌和人类基因组的“post-light”基因组测序。

自Ion PGM™测序仪推出以来，在6个月内，它的通量已提高了10倍，从Ion 314™芯片的10 Mb提高到Ion 316™芯片的100 Mb。而第四季度上市的Ion 318™ 芯片将带来1 Gb的通量。这三种芯片都能用于Ion PGM™测序仪，让用户能够根据实验需求灵活选择。而Ion PGM™测序仪的流程也是行业中最快的，从文库制备到数据分析，不到8小时。它还是世界上销售最快的测序仪，目前已发往40多个国家。

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不久前，科学家们还借助Ion PGM™ 测序仪来鉴定6月在欧洲出现的致命大肠杆菌菌株，因为该系统的2小时运行时间快于市场上其他任何系统。华大基因的科学家们在三天内对细菌进行了测序，明斯特大学的研究小组也测序了菌株，并仅用5天就开发出了一个现场可采用的检测。（生物通 余亮）

原文摘要：

An integrated semiconductor device enabling non-optical genome sequencing

Nature 475, 348–352  (21 July 2011) doi:10.1038/nature10242

摘要：

The seminal importance of DNA sequencing to the life sciences, biotechnology and medicine has driven the search for more scalable and lower-cost solutions. Here we describe a DNA sequencing technology in which scalable, low-cost semiconductor manufacturing techniques are used to make an integrated circuit able to directly perform non-optical DNA sequencing of genomes. Sequence data are obtained by directly sensing the ions produced by template-directed DNA polymerase synthesis using all-natural nucleotides on this massively parallel semiconductor-sensing device or ion chip. The ion chip contains ion-sensitive, field-effect transistor-based sensors in perfect register with 1.2 million wells, which provide confinement and allow parallel, simultaneous detection of independent sequencing reactions. Use of the most widely used technology for constructing integrated circuits, the complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) process, allows for low-cost, large-scale production and scaling of the device to higher densities and larger array sizes. We show the performance of the system by sequencing three bacterial genomes, its robustness and scalability by producing ion chips with up to 10 times as many sensors and sequencing a human genome.