Vuoden 2020 Millennium-teknologiapalkinnon saivat brittiläiset professorit Shankar Balasubramanian ja David Klenerman. Kaksikko sai miljoonan euron palkinnon tunnustuksena kehittämistään dna:n sekvensoinnin tekniikasta.
Kaksikon yhdessä kehittämän Next Generation Sequencing (NGS) -tekniikan ansiosta perimän selvittäminen on yli miljoona kertaa halvempaa ja tuhansia kertoja nopeampaa kuin aiemmilla keinoilla.
Kun vuonna 1990 aloitettu ihmisen perimän selvittäminen vei 13 vuotta ja maksoi yli kaksi miljardi euroa, nykyisin voidaan ihmisen genomi selvittää vuorokaudessa alle tuhannen euron hintaan.
Tekniikka mahdollisti esimerkiksi covid-19 -virusten ja sen muunnoksien perimän nopean selvittämisen. Näin se on ollut keskeisessä roolissa virusta vastaan suunniteltujen rokotteiden kehittämisessä.
Vaikka palkintoseremonia järjestettiin verkossa, voittajakaksikko saapui Helsinkiin ottamaan palkintoa vastaan. Kerta Helsingissä on molemmille ensimmäinen, mutta palkinto on maineeltaan tuttu.
”Palkinto oli äärimmäisen iloinen yllätys”, Klenerman kertoo. ”Tosin pandemian takia emme saaneet kertoa siitä kenellekään yli vuoteen.”
Hän kertoo käyttävänsä puoliskonsa Cambridgen yliopistossa toimivan tutkimusryhmänsä rahoittamiseen.
Balasubramanian ei puolestaan vielä tiedä, mitä rahalla tekee.
”Osa menee varmasti hyväntekeväisyyteen.” Hänellä on kaksi omaa tutkimusryhmää, toinen Cambridgessa ja toinen Britannian syöpäinstituutissa.
Kaksikko tekee myös yhä yhteistyötä. Tuoreimman yhteisen paperinsa he julkaisivat viime vuonna. Se käsittele nelijuosteisen dna:n mallintamista.
Kuten monet suuret oivallukset, myös NGS syntyi alunperin sattumalta. Kaksikko kohtasi Cambridgen yliopistossa vuonna 1994. He alkoivat tutkia fluoresoivia eli valoa absorboivia eli kaappaavia polymeraasimolekyylejä.
Sitä kehittäessään kaksikko oivalsi, että valon avulla luettavista molekyyleistä voisi olla apua dna:n selvityksessä eli sekvensoinnissa.
”Huomasimme, että tämä saattaisi toimia. Päätimme katsoa miten pitkälle menetelmä kantaa”, Klenerman muistelee.
Ratkaisevan laskutoimituksen Klenerman teki lennolla ystävänsä häihin 1997. Silloin hän hahmotti, että uusi menetelmä voisi olla tuhat kertaa nopeampi kuin aiemmin käytetty.
Vuonna 1998 kaksikko haki keksinnöilleen patentteja ja perusti yhtiön. Vuonna 2007 yhdysvaltainen Illumina osti tekniikan ja kehitti siitä kaupallisesti hyödynnettävän.
Kuinka alas sekvensoinnin hinta voi tulevaisuudessa laskea?
”Kysymys on kaupallinen”, Balasubramanian vastaa. ”Mutta uskoisin, että voimme mennä alle sadan euron.”
NGS-tekniikan avulla voidaan esimerkiksi jalostaa kasveja ja edistää ruoantuotantoa.
Se mahdollistaa myös äidin verestä tehtävät sikiötutkimukset sekä muita terveydenhoidon tutkimuksia.
Kaksikko itse puhuu perimän selvittämisestä ennen muuta terveyskysymyksenä.
”Jos katsotaan, mille sairauksille ihmisellä on alttiutta, esimerkiksi elämäntapoja voi korjata sen mukaisesti ennen oireiden puhkeamista”, Klenerman huomauttaa.
Kaksikosta Balasubramanian on selvittänyt oman perimänsä, Klenerman ei.
”Tosin en halunnut katsoa, oliko minulla alttiutta Alzheimerin taudille”, Balasubramanian kertoo. ”Koska asialle ei ole paljoa tehtävissä, en halunnut turhaa huolta.”
Dna:n sekvensointi oli perinteisesti hidasta, koska analysoitavaa on niin paljon. Ihmisen perimässä on noin 3,2 miljardia emäsparia. Niistä jokaisen lukeminen luotettavasti oli ennen hidasta.
Balasubramanian ja Klenermanin keskeinen oivallus on useiden dna-pätkien analysointi yhtä aikaa. Dna:sta otetaan analyysiin useita kopioita, jotka pilkotaan satunnaisesti alle tuhannen emäsparin pätkiin. Tämä tuottaa miljardeja dna:n pätkiä.
Analyysissa tarvittava määrä riippuu siitä, minkä eliön genomia sekvensoidaan sekä siitä, millä tarkkuudella. Esimerkiksi syöpää analysoidessa tarvitaan enemmän näytteitä, koska syöpäsolujen lisäksi tarvitaan terveitä soluja, jotta normaalin perimän ja kasvaimen eroja voidaan verrata.
Pätkistä poistetaan Dna:n kaksoiskierteen toinen juoste. Toiseen kiinnitetään pätkät keinotekoista dna:ta, joiden avulla ne sidotaan kiinni siruun. Tämän jälkeen sirun pinnalle rakennetaan kopio alkuperäisestä juosteesta emäs kerrallaan. Tässä käytetään fluoresoivasti merkittyjä emäksiä. Niitä lukemalla voidaan päätellä alkuperäiset emäsparit.
Luenta voidaan tehdä miljardeille dna-pätkille samaan aikaan. Tämä tekee luennasta nopeaa. Satunnaisten pätkien suuri määrä varmistaa, että kaikki genomin osat tulevat luettua useaan kertaan.
Luetut tiedot annetaan tietokoneelle joka tunnistaa identtiset pätkät ja koostaa niiden perusteella yhtenäisen tulkinnan koko genomista.
Enteillyt Nobelia
Joka toinen vuosi jaettava Millennium-palkinto on tunnustus uraauurtavasta tekniikan innovaatiosta, joka parantaa ihmisten elämänlaatua ja tukee kestävää kehitystä.
Aiemmista voittajista kolme on sittemmin palkittu myös Nobelilla: japanilainen sinisen ledvalon kehittäjä Shoji Nakamura, japanilainen kantasolututkija Shinya Yamanaka sekä yhdysvaltalainen Frances Arnold, suunnatun evoluution ja entsyymien valmistuksen kehittäjä.
Palkinnon antaa Tekniikan Akatemia TAF (entinen Millennium-palkintosäätiö). Miljoonan euron palkinnon luovutti presidentti Sauli Niinistö. Palkinto jaettiin nyt yhdeksättä kertaa.
Shankar Balasubramanian ja David Klenerman pitävät yleisöluennon verkossa Millenium Innovation Forum -kokouksessa keskiviikkona 19.5.2021 kello 16.30. Luentoa voi seurata osoitteessa https://millenniuminnovationforum.fi/en
