Vuoden 2021 Millennium-teknologiapalkinto on myönnetty brittiläisille kemian professoreille Shankar Balasubramanianille ja David Klenermanille heidän yhdessä kehittämästään uudesta erittäin nopeasta geenisekvensointitekniikasta.

Edellisen 20 vuoden aikana perimän lukeminen on nopeutunut jopa miljoonakertaisesti, missä tämän keksinnön osuus on ollut ratkaiseva. Siten se on mullistanut biotieteiden tutkimusta ja lääketieteellistä diagnostiikkaa merkittävästi. Menetelmän toiminta esitellään alempana.

Palkinto oli alkujaan tarkoitus jakaa jo keväällä 2020, mutta seremonia lykkääntyi koronapandemian vuoksi. Miljoonan euron palkinnon luovutti voittajille tiistaina 18.5. kaikille avoimessa virtuaalitilaisuudessa tasavallan presidentti Sauli Niinistö.

Palkitut pitivät avoimen yleisöluennon keskiviikkona 19.5. kello 16.30 osana Millennium Innovation Forum -etäkonferenssia. Molemmat tilaisuudet ovat katseltavissa osoitteessa https://millenniuminnovationforum.fi/en .

Voittajat pitävät palkintoa suurena kunniana. He kuitenkin muistuttavat teknis-tieteellisen tutkimuksen olevan ryhmätyötä, ja katsovat siksi palkinnon kuluvan koko tiimille.

Millennium-teknologiapalkinnon on myöntänyt vuodesta 2004 alkaen joka toinen vuosi Tekniikan Akatemia. Kansainvälinen asiantuntijatyöryhmä oli valinnut ehdotuksensa voittajiksi jo viime keväänä ennen koronapandemiaa, mutta tautitilanteen vuoksi Balasubramanianin ja Klenermanin keksintö sai uuden tärkeän sovelluskohteen.

– Tekniikka oli ratkaisevassa roolissa koronaviruksen sekvenssin määrittämisessä, mikä mahdollisti rokotteiden kehittämisen, kommentoi Tekniikan Akatemian hallituksen puheenjohtaja Marja Makarow.

Kymmeniä miljardeja emäspareja päivässä

Balasubramanianin ja Klenermanin kehittämä metodi tunnetaan Solexan-Illuminan menetelmänä voittajien Cambridgen yliopistossa 1998 perustaman Solexa-yhtiön ja menetelmän oikeudet vuodesta 2007 omistaneen Illuminan mukaan.

Se on kirkkaasti tärkein esimerkki niin sanotuista uuden sukupolven sekvensointitekniikoista (ngs) eli toiselta nimeltään massiivisen rinnakkaisista sekvensointitekniikoista. Sen osuus maailman sekvensointimarkkinoista on tällä hetkellä arviolta noin kolme neljännestä.

Kuvaus ”massiivisen rinnakkainen” viittaa uuden sukupolven menetelmien keskeiseen yhteiseen ominaisuuteen. Sen sijasta, että dna- tai rna-juostetta luettaisiin vain yhdestä kohtaa, lukukohtia on tuhansia tai jopa miljoonia yhtä aikaa.

– Solexan-Illuminan menetelmä oli ensimmäinen laajasti käyttöön otettu massiivisen rinnakkainen menetelmä, ja se on edelleen kustannustehokkain ja nopein, palkintolautakunnan puheenjohtaja Päivi Törmä perustelee voittajan valintaa.

Rinnakkaisuuden ansiosta päivän aikana voidaan lukea perimää kymmenien tai satojen miljardien emäsparien verran.

Palkinnon saajat itse katsovat menetelmänsä vahvuudeksi edellisten lisäksi sen tarkkuuden. Rajoitteisiin kuuluu laitteiden suuri koko ja se, että yksittäiset pätkät eivät voi olla muutamaa sataa emäsparia pidempiä.

Helsingin yliopistossa opettava professori Aarno Palotie korostaa niin ikään Solexan-Illuminan tekniikan mullistavaa luonnetta. Sitä on käytetty niin perustutkimuksessa, lääketieteen diagnostiikassa kuin hoitojen kehitystyössä.

Suomessa tekniikalla on laadittu kotimainen referenssigenomikirjasto Sisuproject.fi. Palotien oma tutkimusryhmä on löytänyt sen avulla muun muassa psykoosille, kehitysviivästymille, migreenille sekä sydän- ja verisuonitaudeille altistavia geenimuunnoksia.

Myös Balasubramanian ja Klenerman katsovat menetelmänsä tärkeimmäksi tulevaisuuden sovelluskohteeksi perinnöllisten sairauksien tunnistamisen ja hoidon.

– Olemme ottamassa vasta lapsen askelia siinä, miten dna-informaatiota käytetään kliinisissä hoitopäätöksissä, Balasubramanian arvioi T&T:lle tämänhetkistä tilannetta.

Biotieteen perustutkimuksen tulevaisuuden suunnaksi Balasubramanian ennustaa dna:n niin sanottujen epäklassisten informaatiotasojen tutkimusta. Tällä hän viittaa muun muassa epigeneettisten emäsmuunnelmien sekvensointiin ja aiemmin ”roska-dna:ksi” leimatun proteiineja koodaamattoman dna:n funktioiden tunnistamiseen.

Klenerman nostaa esiin biokemiallisten reaktioiden reaaliaikaisen kuvaamisen elävissä soluissa yksittäisten molekyylien tasolla.

– Emme selvitä pelkästään sekvenssiä, vaan myös sen, milloin kukin geeni aktivoituu.

Näin se toimii

Solexan-Illuminan menetelmä alkaa dna-näytteen entsymaattisella silppuamisella sattumanvaraisiksi 100–1000 emäsparin pätkiksi. Ne sidotaan kemiallisesti alustalle, jossa kustakin yksittäisestä dna-säikeestä monistetaan suuruusluokkaa tuhat uutta kopiota pcr-reaktion kaltaisella menetelmällä.

Näin alustalle muodostuu alueita, joista kukin vastaa yhtä yksittäistä alkuperäistä dna-molekyylin pätkää. Ilman monistusta signaali olisi liian heikko.

Dna-molekyylin malli. Tältä kaksoiskierre, joka usein kuvataan tikapuina, näyttää ”oikeasti”. Kuvassa mustalla on hiiliatomit, sinisellä typpiatomit, keltaisella fosforiatomit ja punaisella happiatomit. Kuvan laatija on päättänyt jättää vetyatomit pois, oletettavasti visuaalisen selkeyden vuoksi. Tällaista merkintä- tai visualisointitapaa kemistit käyttävät aika ajoin. Blausen Medical Communications (CC-BY 2.0)

Varsinainen sekvenssin luku tapahtuu syntetisoimalla dna-polymeraasilla jokaiseen rihmaan komplementaarinen dna-säie yksi nukleotidi kerrallaan, mutta kaikkiin rihmoihin yhtä aikaa.

Jokaisessa synteesiaskeleessa säikeisiin kiinnitetään ennen lopullista nukleotidia väliaikainen fluoresoiva kemiallinen ryhmä, joka on kullekin dna:n emäkselle eli ”kirjaimelle” spesifinen. Kun alusta skannataan, kullekin alueelle tarttuneen emäksen laatu päätellään fluoresenssin väristä.

Koska dna-näytteissä on lähes aina dna-molekyylejä useista soluista, näin saatu valtava määrä pätkiä ei jää irrallisiksi, vaan ne kohdistetaan tietokoneavusteisesti päällekkäisyyksien mukaan.

Toimitus kiittää laboratoriopäällikkö Pekka Ellosta Helsingin yliopistosta avunannosta menetelmän yksityiskohtien ymmärtämisessä.

Näin se keksittiin

Uuden sekvensointimenetelmän tutkimisen Balasubramanian ja Klenerman aloittivat 1997. Sitä oli edeltänyt kolmen vuoden työ dna-polymeraasientsyymin parissa, mutta aivan aluksi tutkijat eivät hahmottaneet alan kaikkia mahdollisuuksia.

– Ensimmäisessä rahoitushakemuksessamme ei mainittu kertaakaan sanaa sekvensointi, Balasubramanian muistelee.

Palkinnonsaajat pitävät menetelmänsä kaikkein tärkeimpänä läpimurtona prosessin ajamista kiinteällä alustalla, sillä juuri se mahdollistaa sekvenssin luvun monista kohdista yhtä aikaa.

Konseptuaalisella tasolla he katsovat lopullisen sekvensointiprosessin olevan hyvin lähellä heidän alkuperäistä ideaansa reilun 20 vuoden takaa. Ainoastaan dna:n monistusvaihe, joka helpottaa kuvaamista ja vähentää virheitä, on myöhempi lisäys.

Monimutkaisen menetelmän tuotekehitys käytännössä vei kuitenkin aikaa, ja toimivan prototyypin tutkimusryhmä sai aikaiseksi vasta 2005.

– Meidän täytyi saada kemia, molekyylibiologia, fysiikka, laitteistot ja ohjelmistot toimimaan yhtä aikaa. Eri osa-alueiden yhdistäminen oli nähdäkseni suurin haaste, Balasubramanian puntaroi.

Yksittäisistä osa-alueista voittajat pitävät vaikeimpana prosessin automatisointia. Myös dna-polymeraasin muuntelu oikealla tavalla sekvensointiprosessia varten, pintakemian optimointi ja tietojenkäsittely vaativat paljon työtä.

T&k-työssä Klenermanin ryhmä rakensi pääasiassa mittausmenetelmiä, siinä missä Balasubramanian alaisineen keskittyi molekyylipuoleen.

Illuminalla on menetelmästä useita patenttiperheitä, jotka kattavat tietyin osin sen tieteelliset konseptit sekä lisäksi monia teknisiä yksityiskohtia.

Alma Talent on Millennium-teknologiapalkinnon mediakumppani.