Добавить новость
smi24.net
News in English
Июль
2023

Selective sequencing on a shoestring: the $300 HARU system

0

This week in GigaScience, Hasindu Gamaarachchi and colleagues published a paper on their HARU solution for selective sequencing, to be used alongside the handheld (“tricorder” like) Nanopore MinION device.

With the MinION, it is possible to kick out all non-target DNA strands before they are processed through the device’s pores, thus selectively sequencing specific target regions of the genome. This is a clever way to save time and resources, in principle. However, the computational demands for this method are challenging and usually require an expensive cluster infrastructure. 

Having a tiny portable sequencer is nice. But the miniaturisation of the sequencing hardware is not satisfactory if you need bulky and expensive computers to do the real-time analysis steps that are necessary during a selective sequencing run.

As Dr.  Gamaarachchi  explains in our Q&A below, the authors’ motivation therefore was to realise a portable, open source computer system that can efficiently perform the analysis tasks of selective sequencing; in a tiny $300 device that is “two times faster than a 30,000 $ 36-core server, at a fraction of power consumption”.  The proof-of-concept solution, called HARU, is suitable for small genomes such as viruses or bacteria, but the authors hope that their work will lead to further improvements down the line: “Our dream would be to one day have a chip within a nanopore sequencer that can handle the computational requirement of selective sequencing directly.“, Gamaarachchi concludes.

Author Q&A with Hasindu Gamaarachchi

“What is selective nanopore sequencing and how does it work”?

Selective nanopore sequencing is a nascent method to perform rapid genome analysis that enables the sequencing of specific genomic “regions of interest” rather than the entire genome. This programmable approach is free from biochemical processes, making it highly flexible and cost-effective.

Nanopore sequencers utilise an array of tiny pores, known as nanopores, to measure and record fluctuations in ionic current as DNA/RNA strands pass through them. If the region is irrelevant to the given research problem, the voltage across the nanopore can be reversed to eject the DNA/RNA strand from the pore. This approach optimises sequencing time and consumable resources (flowcells) by focusing primarily on the regions of interest.

“What are application examples for selective sequencing?”

Selective sequencing can reduce the time and cost of sequencing in applications such as genetic disease diagnosis, cancer detection, the surveillance of viruses (e.g. SARS-CoV-2) and other pathogens, and sequencing low abundance species in an environmental sample containing thousands of species. For example, it has been recently demonstrated that nanopore selective sequencing can be used to create a single test for over 50 genetic diseases that will cut diagnosis cost and time.

“What are the technical and computational challenges that come with this method?”

The real-time analysis of the data streamed from the sequencer is computationally demanding. The rapid analysis of data from hundreds of nanopores is crucial to promptly identify and eject unnecessary DNA/RNA strands. Any delay in this processing would undermine the effectiveness of selective sequencing. While nanopore sequencers like the Oxford Nanopore MinION are small portable devices comparable in size to a mobile phone and powered via USB, the computer required for performing selective sequencing is typically the size of a non-portable small fridge, consuming power that is hundreds of times greater than the MinION.

“What was your motivation to work on this problem”?

The usefulness of the nanopore MinION as a portable device is negated if it depends on a computer which is non-portable. Although nanopore selective sequencing has the potential to revolutionise diagnostic techniques in the future, it necessitates portable computational solutions to be utilised in settings such as clinics. Our motivation was to realise a portable computer system that can efficiently do the analysis side of the selective sequencing, which is synergistic with the size of the MinION.

“What is the main advance of your solution, HARU?”

HARU is a complete system that works on off-the-shelf devices, as opposed to being a conceptual work limited to simulation. In other words, it is a tangible prototype that actually runs. The full proposed design is available open-source. We have pre-compiled binaries and step-by-step instructions on building the overarching HARU system from scratch. One can simply purchase Xilinx’s Kria AI Starter Kit, flash the device, and execute HARU.

Advantages of HARU include portability, low cost, high-processing throughput, low power consumption and scalability. HARU can also be used as a framework for other future work intending to explore acceleration for selective sequencing on hardware.

“What about the costs? How much would it cost to implement the software/hardware setup as presented in the article?“

The only cost to replicate the HARU system is the target board itself. The software is free and open-source. We target Xilinx’s Kria AI Starter Kit, which is currently retailed at $300. As we have shown in the paper, for selective sequencing based on the algorithm called subsequence Dynamic Time Warping, this tiny $300 device is 2X faster than a 30,000$ 36-core server, at a fraction of power consumption.

“Is this a one-off proof of concept, or are there plans to develop this system for routine use?”

While HARU is currently a proof-of-concept, we envision continuing development and integration of this system into the nanopore sequencing ecosystem for routine use. However, this is a long journey as a lot of development has to be conducted to interface with the nanopore sequence acquisition and control software (closed source) called MinKNOW. Also, HARU is currently only suitable for small genomes such as viruses or bacteria and is impractical for large genomes like the human genome. We have thoughts to combine HARU with fast index-based mapping methods to tackle the problem with such large genomes. Open-sourced HARU can be used as a stepping stone by other researchers who would like to explore methods of hardware acceleration for selective sequencing.  Our dream would be to one day have a chip within a nanopore sequencer that can handle the computational requirement of selective sequencing directly.

References

Efficient real-time selective genome sequencing on resource-constrained devices
Po Jui Shih, Hassaan Saadat, Sri Parameswaran, Hasindu Gamaarachchi
GigaScience, Volume 12, 2023, giad046, https://doi.org/10.1093/gigascience/giad046

Source code for the HARU accelerator: https://github.com/beebdev/HARU

The post Selective sequencing on a shoestring: the $300 HARU system appeared first on GigaBlog.








Дочь Джонни Деппа опубликовала фото в прозрачном наряде

Сооружения сервисного участка «Свердловск-Пассажирский» стали арт-объектом

Город Бакуракерт на полуострове Ланжерон

Неочевидные услуги в поезде


The surprising reason fewer people are dying from extreme weather

Bob Arum Says One Current World Champion Beats Prime Floyd Mayweather: “He’s A Very Unique Talent”

The Federal Reserve’s power: Congress giveth and Congress can taketh away

Is eBay actually sexy again as the ecommerce old-timer’s stock surges to an all-time high?


Во Владивостоке досрочно обновили Русский мост

Anthropic обошла OpenAI и стала лидером среди ИИ-моделей для бизнеса

Новая эра гибридных атак разблокирована

Пасмурный октябрь


Разработчики The Seven Deadly Sins: Origin ответили на частые вопросы игроков

The next survival game from the developers of Green Hell plops you on an alien planet with atmospheric firestorms and a horde of giant spiders

If you'd like to see Meta's AI gunk purged from WhatsApp, a new antitrust investigation in Italy might just do the trick

Girl Rescue 1.0.3.3



Алгоритмы Яндекс Музыки. Алгоритмы продвижения в Яндекс Музыка.

Сахар на вес золота: как изобретение инсулина изменило медицину

Москва превратится в Таиланд. Климатолог Клименко сделал прогноз на 10 лет

Карпин о «Динамо»: «У нас нехватка кадров, так скажем. Говорить про “довольны”, “недовольны” — мне надо командой заниматься. А трансферная кампания — прерогатива клуба. Кто&nbs


Москва превратится в Таиланд. Климатолог Клименко сделал прогноз на 10 лет

Собянин рассказал, как город готовит специалистов для электронной промышленности

Самолет рухнул в океан рядом с пляжем в США

Карпин о «Динамо»: «У нас нехватка кадров, так скажем. Говорить про “довольны”, “недовольны” — мне надо командой заниматься. А трансферная кампания — прерогатива клуба. Кто&nbs


Собянин рассказал, как город готовит специалистов для электронной промышленности

Москву окутает туманная пелена: синоптики предупреждают об ухудшении видимости

Скончался актер из сериалов «Паутина» и «Безмолвный свидетель» Виктор Бутов

Бизнесмен Илон Маск назвал безумием британский закон о безопасном интернете


Российский теннисист Андрей Рублёв пробился в 1/8 финала турнира в Торонто, с которого ранее вылетел Даниил Медведев

Андрей Рублев вышел в четвертый круг «Мастерса» в Торонто

Рахимова уступила Свитолиной во втором круге турнира WTA в Монреале

Андреева проиграла первый матч после Уимблдона. Мирра падала и плакала, ей вызывали врача


4 августа 1662 года в Москве начался «Медный бунт»

«Стало комфортно и удобно»: новый аэропорт Геленджика принял первый рейс из Петербурга

Его прятали. Соседи рассказали о подростке, зарезавшем отца, мать и сестру

Минобороны: средства ПВО уничтожили над регионами в ночь на 4 августа 61 дрон


Музыкальные новости

Бутман заявил, что эмигрировавшие из России люди не осознают текущую ситуацию в стране

Порфтолио AI. Портфолио AI Певца.

В Ереване оправдали выделение $7 миллионов на концерт Дженнифер Лопес

«Это сложилось исторически»: Игорь Бутман высказался об уехавших из России артистах


Сахар на вес золота: как изобретение инсулина изменило медицину

Карпин о «Динамо»: «У нас нехватка кадров, так скажем. Говорить про “довольны”, “недовольны” — мне надо командой заниматься. А трансферная кампания — прерогатива клуба. Кто&nbs

Москва лидирует по числу миллионеров: 28 тысяч получают свыше 1 млн рублей

Москва превратится в Таиланд. Климатолог Клименко сделал прогноз на 10 лет


Бутман поделился важным уроком, который Запад преподал российским музыкантам

Трамп: Індія та росія — «мертві економіки»

Путин анонсировал скоростную трассу Москва-Петербург к 2028 году

Покончив с инакомыслием, режим Санду взялся искоренять здравомыслие


Собянин: Открыт пешеходный переход через МЦД-2 между Щербинкой и Остафьевом

Автопробег в Финляндии поддержал инициативу открытия границы с Россией

ДТП на юго-востоке Москвы: пострадали четыре человека, включая пешеходов

Шесть человек пострадали в крупной аварии на Волгоградском проспекте в Москве


Путин отметил, что железнодорожники успешно обеспечивают снабжение вооруженных сил

Путин анонсировал скоростную трассу Москва-Петербург к 2028 году

Путин заявил о высокой популярности скоростных железных дорог среди россиян

Путин рассказал о развитии железнодорожной отрасли России


Руководитель РФПИ охарактеризовал переписку фон дер Ляйен с Pfizer как позорный инцидент

Исследование показывает зависимость между темпами развития COVID-19 и уровнем смертности



«Такие жирные». У мужчины обнаружили страшное заболевание из-за ресторанов

Букин поделился причинами, почему он не придерживается диеты

Сахар на вес золота: как изобретение инсулина изменило медицину

Ученые выяснили, какие болезни погубили войска Наполеона в 1812 году


В Киеве показательно вскрыли «гнездо» коррупции: Зеленский устроил целый политический театр


Галактионов подвел итог игры с "Нижним Новгородом"

Карпин о «Динамо»: «У нас нехватка кадров, так скажем. Говорить про “довольны”, “недовольны” — мне надо командой заниматься. А трансферная кампания — прерогатива клуба. Кто&nbs

Спорткар на воде: сборная Тульская области по гребле выступила на мини-Олимпиаде

Спелеолог Алексей Акимов: По годовым кольцам сталактитов можно узнать прошлое Земли



Собянин: Открыт пешеходный переход через МЦД-2 между Щербинкой и Остафьевом

Сергей Собянин открыл просторный переход между станциями Щербинка и Остафьево

Собянин: 9 и 10 августа Москва отметит День физкультурника

Собянин: Количество цветников в Москве с 2010 года увеличено почти в 2,5 раза


Московский зоопарк ищет неродственную "невесту" для манула Тимоши

Ликсутов сообщил об открытии велопроката на территории ОЭЗ «Технополис Москва»

В Грозном планируют возвести предприятие по переработке отходов

"Роскосмос" продемонстрировал изображение циклон, спровоцировавшего грозу в Москве


Его прятали. Соседи рассказали о подростке, зарезавшем отца, мать и сестру

Москву окутает туманная пелена: синоптики предупреждают об ухудшении видимости

Бизнесмен Илон Маск назвал безумием британский закон о безопасном интернете

Турецкая авиакомпания оставила россиян без вещей


Аномальная жара: До +41 °С в Чечне и Ингушетии, +30 °С в Карелии и Архангельске

В администрации муниципального образования «Городской округ «Город Нарьян-Мар» выявлены нарушения законодательства о противодействии коррупции

Институт развития Интернета поддержал мультимедийный просветительский проект холдинга «ЕвроМедиа» о героях и событиях, которые сформировали образ Русского Севера и продолжают вдохновлять поколения

Бизнесмен из Подмосковья пытался испортить деньгами честного нарьянмарца


Задержка поездов в Крым и из Крыма – актуальные данные

Задержка поездов в Крым и из Крыма: свежие данные

Крыму и еще 27 регионам списали долги по бюджетным кредитам на 58 млрд

Цены на новостройки в июле 2025 года: Севастополь лидирует, Симферополь чуть отстаёт


На рыбных рынках «Москва — на волне» начался сезон командорского кальмара

Москву окутает туманная пелена: синоптики предупреждают об ухудшении видимости

БПЛА вызвал задержки поездов в Волгоградской области: подробности инцидента

Бизнесмен Илон Маск назвал безумием британский закон о безопасном интернете














СМИ24.net — правдивые новости, непрерывно 24/7 на русском языке с ежеминутным обновлением *