The proliferation of large-scale DNA-sequencing projects in recent years has driven a search for alternative methods to reduce time and cost. Here we describe a scalable, highly parallel sequencing system with raw throughput significantly greater than that of state-of-the-art capillary electrophoresis instruments. The apparatus uses a novel fibre-optic slide of individual wells and is able to sequence 25 million bases, at 99% or better accuracy, in one four-hour run. To achieve an approximately 100-fold increase in throughput over current Sanger sequencing technology, we have developed an emulsion method for DNA amplification and an instrument for sequencing by synthesis using a pyrosequencing protocol optimized for solid support and picolitre-scale volumes. Here we show the utility, throughput, accuracy and robustness of this system by shotgun sequencing and de novo assembly of the Mycoplasma genitalium genome with 96% coverage at 99.96% accuracy in one run of the machine. The race is on for a big prize: the job of providing the world's DNA sequencing laboratories with the successor to the 'Sanger-based' technology that gave us the first wave of genome sequences. One technology in the frame is that produced by 454 Life Sciences Corporation of Branford, Connecticut. Today's technology reads 67,000 base pairs per hour; this new approach is 100 times faster, reading 6 million base pairs per hour. The improved performance results from using picolitre-sized chemical reactors, enhanced light-emitting sequencing chemistries and complex informatics. Further miniaturization of the system is planned. Such leaps in technology may one day make it possible to analyse an individual's genome before designing therapy: the ultimate in personalized medicine.

The seminal importance of DNA sequencing to the life sciences, biotechnology and medicine has driven the search for more scalable and lower-cost solutions. Here we describe a DNA sequencing technology in which scalable, low-cost semiconductor manufacturing techniques are used to make an integrated circuit able to directly perform non-optical DNA sequencing of genomes. Sequence data are obtained by directly sensing the ions produced by template-directed DNA polymerase synthesis using all-natural nucleotides on this massively parallel semiconductor-sensing device or ion chip. The ion chip contains ion-sensitive, field-effect transistor-based sensors in perfect register with 1.2 million wells, which provide confinement and allow parallel, simultaneous detection of independent sequencing reactions. Use of the most widely used technology for constructing integrated circuits, the complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) process, allows for low-cost, large-scale production and scaling of the device to higher densities and larger array sizes. We show the performance of the system by sequencing three bacterial genomes, its robustness and scalability by producing ion chips with up to 10 times as many sensors and sequencing a human genome. Progress towards cheaper and more compact DNA sequencing devices is limited by a number of factors, including the need for imaging technology. A new DNA sequencing technology that does away with optical readout, instead gathering sequence data by directly sensing hydrogen ions produced by template-directed DNA synthesis, offers a route to low cost and scalable sequencing on a massively parallel semiconductor-sensing device or ion chip. The reactions are performed using all natural nucleotides, and the individual ion-sensitive chips are disposable and inexpensive. The system has been used to sequence three bacterial genomes and a human genome: that of Gordon Moore of Moore's law fame.

Next-generation sequencing technologies are revolutionizing human genomics, promising to yield draft genomes cheaply and quickly. One such technology has now been used to analyse much of the genetic code of a single individual — who happens to be James D. Watson. The procedure, which involves no cloning of the genomic DNA, makes use of the latest 454 parallel sequencing instrument. The sequence cost less than US$1 million (and a mere two months) to produce, compared to the approximately US$100 million reported for sequencing Craig Venter's genome by traditional methods. Still a major undertaking, but another step towards the goal of 'personalized genomes' and 'personalized medicine'. The DNA sequence of a diploid genome of a single individual, James D. Watson, sequenced to 7.4-fold redundancy in two months using massively parallel sequencing in picolitre-size reaction vessels is reported. The association of genetic variation with disease and drug response, and improvements in nucleic acid technologies, have given great optimism for the impact of ‘genomic medicine’. However, the formidable size of the diploid human genome1, approximately 6 gigabases, has prevented the routine application of sequencing methods to deciphering complete individual human genomes. To realize the full potential of genomics for human health, this limitation must be overcome. Here we report the DNA sequence of a diploid genome of a single individual, James D. Watson, sequenced to 7.4-fold redundancy in two months using massively parallel sequencing in picolitre-size reaction vessels. This sequence was completed in two months at approximately one-hundredth of the cost of traditional capillary electrophoresis methods. Comparison of the sequence to the reference genome led to the identification of 3.3 million single nucleotide polymorphisms, of which 10,654 cause amino-acid substitution within the coding sequence. In addition, we accurately identified small-scale (2–40,000 base pair (bp)) insertion and deletion polymorphism as well as copy number variation resulting in the large-scale gain and loss of chromosomal segments ranging from 26,000 to 1.5 million base pairs. Overall, these results agree well with recent results of sequencing of a single individual2 by traditional methods. However, in addition to being faster and significantly less expensive, this sequencing technology avoids the arbitrary loss of genomic sequences inherent in random shotgun sequencing by bacterial cloning because it amplifies DNA in a cell-free system. As a result, we further demonstrate the acquisition of novel human sequence, including novel genes not previously identified by traditional genomic sequencing. This is the first genome sequenced by next-generation technologies. Therefore it is a pilot for the future challenges of ‘personalized genome sequencing’.