Gli scienziati della Johns Hopkins riferiscono di aver utilizzato con successo due tecnologie genetiche separate per assemblare la sequenza del genoma più completa fino ad oggi di Triticum aestivum, la specie di grano più coltivata utilizzata per fare il pane.

Un rapporto sul risultato è stato pubblicato nel numero del 23 ottobre di GigaScience poche settimane prima del loro relativo rapporto sulla sequenza dell'"antenato" del grano tenero, "Aegilops tauschii, pubblicato il 15 novembre in Natura .

Insieme, dicono, le sequenze del genoma del grano possono aiutare i biologi non solo a comprendere meglio la storia evolutiva del grano, ma anche avanzare nella ricerca di più resistenti, tipi di grano più resistenti ai parassiti e alla siccità per aiutare a nutrire la crescente popolazione mondiale.

"Dopo molti anni di tentativi, siamo finalmente riusciti a produrre un assemblaggio di alta qualità di questo genoma molto impegnativo, "dice Steven Salzberg, dottorato di ricerca, Bloomberg Distinguished Professor di Ingegneria Biomedica presso la Whiting School of Engineering della Johns Hopkins University e il McKusick-Nathans Institute of Genetic Medicine presso la Johns Hopkins University School of Medicine.

Secondo gli scienziati della Johns Hopkins, il grano tenero ha uno dei genomi più complessi conosciuti dalla scienza, contenente circa 16 miliardi di paia di basi di DNA e sei copie di sette cromosomi. A confronto, il genoma umano è circa cinque volte più piccolo, con circa tre miliardi di paia di basi e due copie di 23 cromosomi. Le versioni precedentemente pubblicate del genoma del grano tenero contenevano grandi lacune nella sua sequenza di DNA altamente ripetitiva.

"La natura ripetitiva di questo genoma rende difficile la sequenza completa, " dice Salzberg. "È come cercare di mettere insieme un puzzle di una scena di paesaggio con un enorme cielo blu. Ce ne sono molti molto simili, piccoli pezzi da assemblare."

Il genoma del grano tenero appena assemblato, che costa $ 300, 000 solo per il sequenziamento, I ricercatori della Johns Hopkins hanno impiegato un anno per assemblare 1,5 trilioni di basi di dati grezzi in un assemblaggio finale di 15,34 miliardi di paia di basi.

Per farlo, Salzberg e il suo team hanno utilizzato due tipi di tecnologia di sequenziamento del genoma:sequenziamento a lettura breve ad alto rendimento e sequenziamento a lettura lunga, sequenziamento di singole molecole. Come suggerisce il nome, il sequenziamento ad alto rendimento genera enormi quantità di coppie di basi del DNA in modo molto rapido ed economico, sebbene i frammenti siano molto corti, solo 150 paia di basi lunghi per questo progetto. Per aiutare ad assemblare le aree ripetitive, il team di Johns Hopkins ha utilizzato in tempo reale, sequenziamento di singole molecole, che legge il DNA mentre viene sintetizzato in un minuscolo, pozzo su nanoscala su un chip. La tecnologia consente agli scienziati di leggere fino a 20, 000 paia di basi alla volta misurando i segnali fluorescenti che vengono emessi quando ogni base di DNA viene copiata.

Salzberg afferma che il sequenziamento di un genoma di queste dimensioni richiede non solo competenze genetiche, ma anche risorse di calcolo molto grandi disponibili presso relativamente pochi istituti di ricerca in tutto il mondo. Il team ha fatto molto affidamento sul Maryland Advanced Research Computing Center, un centro di calcolo condiviso da Hopkins e dall'Università del Maryland, che ha più di 20, 000 core di computer (CPU) e oltre 20 petabyte di memoria dati. Il team ha utilizzato circa 100 anni di CPU per mettere insieme questo genoma.

Salzberg e il suo team hanno anche partecipato allo sforzo collaborativo riportato sulla rivista Nature per sequenziare un tipo ancestrale di grano, Aegilops tauschii, che è comunemente indicato come goatgrass e si trova ancora in alcune parti dell'Asia e dell'Europa. Il suo genoma è circa un terzo delle dimensioni del genoma del grano tenero, ma ha livelli simili di ripetizione. Il lavoro, fatto come parte di uno sforzo collaborativo tra l'Università della California, Davis; John Hopkins; e l'Università della Georgia, ci sono voluti circa quattro anni per completarlo. Utilizzando il sequenziamento del genoma del clone ordinato, sequenziamento shotgun e mappatura ottica del genoma, il team ha messo insieme i 4,3 miliardi di nucleotidi che compongono la sequenza genetica della pianta. Con queste informazioni, il resto del team è stato in grado di identificare le sequenze che costituiscono i geni responsabili di caratteristiche specifiche nella pianta.