Le chercheur primé derrière le séquençage de nouvelle génération

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Le séquençage de nouvelle génération (NGS) a donné à la communauté de la recherche génomique un débit, une évolutivité et une vitesse ultra-élevés dont on ne pouvait rêver il y a 20 ans. Après avoir remporté le Breakthrough Prize le mois dernier, nous discutons avec le professeur Shankar Balasubramanian de son travail sur NGS, de son incroyable parcours translationnel et du pouvoir de la pub…

Tout d’abord, félicitations ! Vous avez reçu certains des prix scientifiques et technologiques les plus prestigieux au cours des 2 dernières années, notamment le Breakthrough Prize et le Millennium Technology Prize. De grandes récompenses comme celle-ci valident-elles votre travail ?

Merci beaucoup. Des prix comme celui-ci sont bien sûr un grand honneur, mais je suppose que je dirais, je pense que nous, en tant que scientifiques, ne faisons pas ce que nous faisons pour les prix. Donc en fait, je pense que la plus grande validation de tout ce que nous faisons ou à quoi nous contribuons est de savoir si cela finit par fournir des connaissances ou des capacités utiles. C’est la validation la plus importante pour les choses que nous faisons.

Les récents grands prix ont tous été centrés sur votre travail sur le séquençage de nouvelle génération. Quelle a été l’ampleur du changement dans la capacité de séquençage depuis son invention ?

Eh bien, tout d’abord, il est important de dire que de nombreuses personnes ont contribué à cela – il y a une grande équipe de personnes derrière cela. Lorsque j’ai commencé à travailler dans la chimie de l’ADN et la génomique, vers 1996, c’était les premières phases du projet du génome humain et les machines de l’époque utilisaient le séquençage de Sanger. Typiquement, ils séquençaient de l’ordre de centaines de milliers, peut-être approchant un million, de lettres d’ADN par essai expérimental. C’était donc la référence à l’époque. Mais pour NGS maintenant, avec les dernières machines automatisées, ils séquenceront des milliards de bases d’ADN par expérience. Ainsi, la différence est d’environ un million de fois.

Donc, si vous avez une de ces machines, vous avez une capacité qui est probablement environ 1 000 fois plus élevée que la capacité globale comme c’était le cas pendant les premières phases du projet du génome humain. Cela signifie que les laboratoires ont la capacité de faire des choses qui étaient impensables il y a 20 ans. Désormais, la capacité et la vitesse s’accompagnent d’une réduction des coûts.

Oui, il n’y a pas si longtemps, obtenir une séquence complète du génome pour moins de 1 000 $ était l’objectif ultime, presque inimaginable, du séquençage…

C’est exact. Et je suppose que la motivation derrière ce que des gens comme moi essayaient de permettre il y a 25 ans était vraiment de permettre le séquençage du génome humain à l’échelle de la population. Alors qu’un génome de référence a été la percée du projet du génome humain, nous sommes tous différents. Et dans le cas de maladies, comme le cancer, chaque cancer est unique chez un individu unique, vous n’allez donc pas obtenir toutes ces informations à partir d’un seul génome. Il était donc nécessaire de développer une capacité pour finalement le rendre évolutif à une population.

Maintenant, il est légèrement injuste de faire une comparaison avec le coût du projet du génome humain. Parce que c’était le tout premier génome, et il n’y avait aucune référence pour continuer. C’était beaucoup plus de travail qu’il n’en faut maintenant pour séquencer un génome humain, étant donné un génome de référence, sur lequel l’aligner. Mais néanmoins, le coût du projet du génome humain était de l’ordre de plusieurs milliards de dollars américains. Et le coût d’un génome humain de haute qualité est aujourd’hui, je pense, estimé à environ 600 $. Donc, encore une fois, il y a une sorte de changement de près d’un million dans l’économie de la lutte contre ce type de projet.

Pouvez-vous nous ramener aux premiers jours de la façon dont vous vouliez aborder ce problème d’évolutivité – vous et le professeur David Klenerman avez travaillé en étroite collaboration, et comme toutes les bonnes percées de l’ADN basées à Cambridge, les idées initiales ont été lancées dans le pub…

Bon, j’irai au pub dans un instant ! Je suis chimiste organique et biochimiste et David est physico-chimiste et spectroscopiste laser. Donc vraiment, scientifiquement, nous venons de mondes assez différents. Et nous sommes dans le même département. Et nous avons été réunis parce que j’avais un problème qui nécessitait un laser particulier que je n’avais pas. J’avais entendu parler de ce type intelligent dans le département et quelqu’un a dit que je devrais lui parler, et c’est ce qui nous a réunis David et moi et nous a fait parler.

Nous avons créé l’idée d’un projet de construction d’un microscope à fluorescence à molécule unique afin d’observer une ADN polymérase, les enzymes qui synthétisent et copient l’ADN lorsque les cellules se répliquent. Nous avons commencé le travail avec quelques post-doctorants – Mark Osborne et Colin Barnes, qui étaient là au tout début de tout cela. Et donc, l’idée fondamentale était, en fait, de ne pas du tout séquencer l’ADN.

Mais c’est au cours de ce travail que j’ai pensé qu’il serait passionnant d’appliquer cette nouvelle technique d’observation pour mieux comprendre sans doute l’une des réactions chimiques les plus importantes de la vie – la synthèse de l’ADN. C’est ici qu’intervient le pub.

Nous avions l’habitude d’aller dans un pub au coin de la rue… Je pense que les pubs et les salons de thé sont des endroits importants pour se détendre, réfléchir et avoir des conversations. Souvent, vous le faites si vous êtes coincé avec un problème et avez besoin d’une autre sorte d’ambiance pour essayer de résoudre le problème. Lorsque nous avons fait cela, nous avons vu le potentiel de notre approche. Ce que nous faisions, c’était observer l’ADN synthétisé une molécule à la fois sur une surface. Mais c’est très difficile à faire, vous pouvez facilement le manquer – nous avons donc décidé de regarder beaucoup de molécules en parallèle en même temps, de cette façon, vous avez plus de chances d’attraper des événements. Et nous sommes passés de là à voir le potentiel de décoder réellement la séquence de nombreuses molécules d’ADN attachées à une surface en parallèle.

En partie, ce sont ces discussions dans les pubs où nous l’avons vu si fortement que, vous savez, nous avons senti que nous devions faire quelque chose à ce sujet.

Dès le début, la voie que vous avez empruntée pour développer l’idée était commerciale : créer une entreprise et lever des fonds. Pourquoi était-ce?

Nous savions que l’idée avait un potentiel énorme et nous voyions une manière biochimique et chimique de le faire, et nous pouvions voir comment l’imaginer. Et même une fois que nous avions fait une partie de la preuve de concept pour montrer que cela serait possible, il y avait encore beaucoup de travail à faire pour tout rassembler.

Au début, nous sommes allés parler à des collègues de l’Institut Sanger, qui ont été impliqués dans les premières phases du projet du génome humain. Et en fait, l’une des personnes à qui nous avons parlé était David Bentley, qui est maintenant le scientifique en chef d’Illumina, pour simplement comprendre le projet du génome humain et partager avec eux que nous avions une idée qui pourrait augmenter la capacité. Nous avons eu le sentiment que si nous pouvions y arriver, d’une manière ou d’une autre, il ne faisait aucun doute que le monde dans 10 ans serait prêt pour un tel système.

Nous avons pensé à rédiger des subventions – nous avons même rédigé quelques subventions préliminaires pour soutenir ce qui était passé d’une exploration de base à un projet de développement ciblé. Mais finalement, nous l’avons pris sur une voie commerciale. Nous avions rencontré des personnes d’une société de capital-risque et nous avons décidé de créer une société, principalement parce que nous ne pouvions pas penser à un autre moyen de rassembler le type de ressources dont vous auriez besoin pour le faire. À l’époque, il n’y avait pas de Grands Défis Cancer et tout ça au milieu ou à la fin des années 90 ! Nous n’avons pas pu trouver d’autres mécanismes. Nous avons donc levé des fonds auprès d’un fonds de capital-risque et créé une entreprise que nous avons appelée Solexa, qui fait maintenant partie d’Illumina Inc.

Nous sommes sortis pour lever des fonds en 1997, et avons officiellement formé la société en 1998. Pendant deux ans, nous avons incubé à l’université, dans le département de chimie, et avons constitué une équipe pour faire une partie des premiers travaux. Au fur et à mesure que les effectifs augmentaient, nous avons conditionné l’entreprise et l’avons exportée hors de l’université et avons collecté plus d’argent pour constituer une équipe de gestion et de développement afin de développer pleinement la technologie en un système commercial fonctionnel.

Vous êtes passé d’un chercheur ciel bleu à un chercheur très translationnel impliqué dans la création d’entreprise et les spin-outs, quels conseils pouvez-vous donner aux chercheurs qui pourraient emprunter cette voie ?

La première chose à dire est que si nous n’avions pas fait la recherche Blue Skies au départ qui n’avait aucune application spécifique en tête, autre que l’acquisition de connaissances, nous n’aurions certainement pas emprunté cette voie de développement de la technologie de séquençage. Ainsi, la recherche sur le ciel bleu était importante. Et les observations que nous avons faites sont ce qui nous a conduits à une direction translationnelle, même si ce n’était pas ce que nous voulions faire.

Si vous voyez le potentiel de la recherche sur le ciel bleu, cela vaut vraiment la peine de s’arrêter à ce stade et de réfléchir à ce que pourrait être l’utilisation – vous savez, vous demander comment cela pourrait-il changer les choses ? Même si cela peut prendre 10 ou 20 ans ? L’une des questions posées par le premier investisseur qui a financé cela au début était : « Dites-vous que tout ce que vous me dites fonctionne au niveau que vous dites qu’il pourrait fonctionner ? Quel est le marché pour ce genre de choses aujourd’hui ? » Et j’ai dit : « C’est facile, c’est zéro. »

Parce que, bien sûr, il y a le projet du génome humain en cours, mais personne n’avait vraiment l’intention de séquencer des génomes entiers de manière routinière, à ce moment-là. Mais cela ne nous a pas arrêtés. Et cela n’a finalement pas arrêté l’investisseur. Ainsi, une grande partie de la traduction consiste à trouver une autre solution à un problème qui peut être incrémentielle, mais pour certains types de problèmes, elle doit être plus qu’incrémentale, car le monde changera au moment où vous disposerez d’une méthode ou d’une technologie pleinement fonctionnelle. . Au moment où cela fonctionne, il doit encore être attrayant. Et parfois cela va prendre une décennie ou même plus.

Je dirais aussi qu’il est facile de démarrer une entreprise ou une entreprise, mais en fait, vous devez vous demander : « Est-ce que je vais toujours être motivé pour conduire cette année ? » Et si vous faites partie des personnes qui l’ont commencé, votre enthousiasme à continuer à le pousser est important, car si vous perdez tout intérêt, il est possible que tout le monde le fasse aussi. Il faut donc prendre un engagement à moyen ou long terme.

Quel avenir voyez-vous pour le séquençage ?

Donc, un aspect de ceci est d’opter pour des solutions plus rapides et moins chères. Je pense que cela continuera tant qu’il y aura une pression commerciale pour conduire ce genre d’améliorations. Aujourd’hui, une grande partie du travail visant à extraire de la valeur de l’ADN pour fournir des informations sur la biologie fondamentale et le cancer ainsi que sur d’autres maladies a été motivée par la génétique. C’est donc la séquence nucléotidique. Ce que je dirais, c’est qu’il y a beaucoup plus d’informations que cette séquence et les mutations et variantes que l’on peut obtenir à partir de l’ADN. Il existe d’autres couches d’informations qui peuvent être extraites et qui peuvent vous renseigner sur ce qui se passe dans la cellule – ce qui se passe dans le système – pendant la biologie normale, et ce qui est perturbé dans la biologie des maladies.

L’un des domaines dans lesquels j’ai été actif est l’épigénétique, mais il existe d’autres modifications de l’ADN. Et plus d’une en fait – la méthylation de l’ADN en est une, mais il y a aussi l’hydroxyméthylation, qui n’a été vraiment prouvée dans l’ADN humain qu’en 2009. Donc, ce sont, si vous voulez, la cinquième et la sixième lettre de l’ADN, et, en fait, il sont également plusieurs autres modifications qui se produisent dans l’ADN humain et nous ne savons pas très bien ce qu’elles font.

Maintenant, ces lettres fournissent d’autres informations sur ce qui se passe en biologie qui sont orthogonales aux informations fournies par les données de séquence traditionnelles. J’ai lancé une autre entreprise en 2012 appelée Cambridge Epigenetix. Ils ont développé une technologie qui vous permet d’obtenir cinq ou six lettres à partir d’un séquençage, pas seulement quatre, les lettres supplémentaires fournissant des informations sur la biologie en plus des informations génétiques.

Je pense que nous allons en apprendre davantage sur la biologie, la biologie normale et la maladie en examinant non seulement la génétique, mais la génétique plus l’épigénétique. Donc, je pense qu’il y a, il y a beaucoup de choses qui sortiront de la littérature scientifique et clinique avec ce genre de capacité.

Le professeur Sir Shankar Balasubramanian est professeur Herchel Smith de chimie médicinale au département de chimie de l’Université de Cambridge. Il est également chef de groupe principal au Cancer Research UK Cambridge Institute.