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INNOVATION

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Nanogap DNA measurement: a truly disruptive innovation

Quantum Sequencing™

Single Molecule Electronic Detection1分子電流計測

A critical issue in medical research is the need for ultra-high-speed analysis of DNA sequences and ultra-sensitive, ultra-fast detection of viruses and allergens such as pollen. However, even leading global companies have so far been unable to develop the next-generation technology required to implement this.

The new technology we have developed—based on a gating-nanopore method, using tunneling current measurement—has the potential to change that. The U.S. National Institute of Health (NIH) has stated that our technology could lead to breakthroughs in ultra-high speed and ultra-sensitivity analysis that will never be possible using existing technologies.

Single molecule electronic detection provides the ultimate methodology for genome analysis. Our technology identifies base molecules by measuring tunnel current through nano-electrodes as DNA/RNA passes through nanogaps, and by calculating the current difference. Each chip has a nanogap through which only a single strand of DNA or RNA passes, and the device uses nanoelectrodes (one molecule-wide gap between electrodes) to measure tunnel current.
医療分野においては、DNAの超高速解析、ウイルスやアレルゲン(花粉など)の超高感度・超高速検出に対するアンメットニーズが存在します。しかしながら、これまで世界の名だたる大企業の力をもってしても、市場で要求される超高速・超高感度検出を実現する次世代技術を開発できずにいました。

このような状況下で、我々が開発中のゲーティングナノポア法と呼ばれる新技術は、トンネル電流計測原理に基づいており、現状を打破する可能性を秘めています。米国国立衛生研究所(NIH)は、当社の技術を、既存の技術では実現不可能であった、超高速・超高感度の壁を突破する高いポテンシャルを持つ解析技術であると位置付けています。

1分子電流計測は、ゲノム解析における究極の技術です。我々の技術は、DNAやRNAが、ナノギャップ電極を通過する際に発生する(塩基種類別の)トンネル電流の変化を計測して塩基を識別します。各チップデバイスは、DNAやRNAの一本鎖が微細な流路を経て、ナノギャップ電極に誘導され、トンネル電流で測定されるように、デザインされています。
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Why it’s so innovative

Bias free (PCR free)

The polymerase chain reaction (PCR) amplifies one or several copies of a piece of DNA by several orders of magnitude, to generate up to millions of copies of that DNA sequence. However, this reaction can cause mutations as the enzymes copy sequences. Current DNA sequencing technology depends on PCR, resulting in inherent accuracy issues due to PCR generated errors. Our system eliminates the need to use PCR.
現在主流の技術においては、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)により、一つ、または少数のDNA断片を数百万まで複製してから、DNAを解析しています。しかし、PCRによる増幅では、酵素による複製のばらつきを与えるため、オリジナルの塩基配列とは異なるDNAが作られます(PCRバイアス)。我々の塩基配列決定システムは、PCRをする必要がなく、1分子をそのまま計測するため、絶対定量性を持つ測定が可能となります。

High throughput

Our integrated nano-chip system can analyze multiple fragments simultaneously enabling high-throughput. Analyzing the same bases multiple times at very high speed using tunnel current reduces errors and achieves high sequencing accuracy. The extremely high throughput of our technology will enormously increase the accuracy of sequencing.
当社のナノチップシステムは、複数のDNA断片を同時に計測することを可能とし、非常に速い処理スピードを持っています。この速い処理スピードは、トンネル電流の超重複計測を可能にすることで、塩基配列決定精度を劇的に向上させることにも寄与します。

Epigenetics

Using tunnel current to identify bases also allows us to analyze base modifications such as DNA methylation, since modified and unmodified bases have different tunnel currents. The ability to do this is a crucial requirement in epigenetics, and yet current DNA sequencing methodology cannot directly identify base modifications. Our technology will make possible personal genome sequencing over the course of a person’s lifetime.
トンネル電流を用いて計測することで、DNAメチル化などの塩基修飾を検出することが可能になります。これは、トンネル電流が修飾塩基と非修飾塩基のわずかな電気的性質の差を読み取る特徴を持つからです。エピジェネティクス研究では、修飾塩基の検出は極めて重要ですが、既存のDNA解析方法は、塩基修飾を直接識別することはできません。当社の技術により、エピジェネティクスの経時変化を個人レベルで計測し、解析することが可能になります。

Low cost

Our technology does not require pre-treatments such as labeling, PCR, or detection with fluorescent reagents, which are widely used in current DNA sequencing. In addition, our nano chips are semiconductors that can be mass-produced at low cost. The result will be a dramatic reduction in the price of DNA sequencing, putting genetic sequencing within the reach of the individual.
当社の技術は、現在一般的にDNA塩基配列解析に用いられている蛍光試薬によるラベル化、PCR増幅などの前処理を必要としません。また、チップデバイスは、大量量産を得意とする半導体技術で作製されるため、非常に安価に製造することが可能であり、誰もが必要に応じて安価にDNAを読むことを可能にします。
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Original Inventor – Osaka University

Professor Tomoji Kawai of Osaka University is Quantum Biosystems’ lead scientific advisor. He has worked toward the development of a fourth generation DNA/RNA sequencer within the Funding Program for World-Leadng Innovative R&D on Science and Technology (FIRST) project.
Unlike currently used sequencers, this fourth generation sequencer will work at the ultimate level of single molecule detection.
Last year, Professor Kawai’s project team successfully demonstrated the principle, paving the way to practical applications.
DNA sequencer researchers and engineers worldwide are closely following this project’s results.
Quantum Biosystems is a biotech start-up of Osaka University, founded with the goal of finding rapid practical applications for the FIRST project’s research findings.
当社の科学顧問である大阪大学の川合教授は、内閣府のFIRST川合プロジェクトにおいて、1分子計測によるDNAシーケンサー開発をリードしてきました。昨年、このプロジェクトでは、1分子電流計測によるDNA解析原理を実証し、この分野の研究者から大きな注目を集めました。当社はこの基礎技術を用いて第4世代のDNAシーケンサーの実用化を進めています。

ABOUT FIRST KAWAI PROJECT

Funding Program for World-Leading Innovative R&D on Science and Technology
-Innovative NanoBiodevice based on Single Molecule Analysis-
最先端研究開発支援プログラム
1分子解析技術を基盤とした革新ナノバイオデバイスの研究開発
FIRST KAWAI PROJECT