We present single-molecule, real-time sequencing data obtained from a DNA polymerase performing uninterrupted template-directed synthesis using four distinguishable fluorescently labeled deoxyribonucleoside triphosphates (dNTPs). We detected the temporal order of their enzymatic incorporation into a growing DNA strand with zero-mode waveguide nanostructure arrays, which provide optical observation volume confinement and enable parallel, simultaneous detection of thousands of single-molecule sequencing reactions. Conjugation of fluorophores to the terminal phosphate moiety of the dNTPs allows continuous observation of DNA synthesis over thousands of bases without steric hindrance. The data report directly on polymerase dynamics, revealing distinct polymerization states and pause sites corresponding to DNA secondary structure. Sequence data were aligned with the known reference sequence to assay biophysical parameters of polymerization for each template position. Consensus sequences were generated from the single-molecule reads at 15-fold coverage, showing a median accuracy of 99.3%, with no systematic error beyond fluorophore-dependent error rates.

Since its initial release in 2000, the human reference genome has covered only the euchromatic fraction of the genome, leaving important heterochromatic regions unfinished. Addressing the remaining 8% of the genome, the Telomere-to-Telomere (T2T) Consortium presents a complete 3.055 billion–base pair sequence of a human genome, T2T-CHM13, that includes gapless assemblies for all chromosomes except Y, corrects errors in the prior references, and introduces nearly 200 million base pairs of sequence containing 1956 gene predictions, 99 of which are predicted to be protein coding. The completed regions include all centromeric satellite arrays, recent segmental duplications, and the short arms of all five acrocentric chromosomes, unlocking these complex regions of the genome to variational and functional studies.

The open-source FALCON and FALCON-Unzip software utilize long-read sequencing data to generate contiguous, accurate and phased diploid assemblies, even from genomes that are highly heterozygous. While genome assembly projects have been successful in many haploid and inbred species, the assembly of noninbred or rearranged heterozygous genomes remains a major challenge. To address this challenge, we introduce the open-source FALCON and FALCON-Unzip algorithms ( https://github.com/PacificBiosciences/FALCON/ ) to assemble long-read sequencing data into highly accurate, contiguous, and correctly phased diploid genomes. We generate new reference sequences for heterozygous samples including an F1 hybrid of Arabidopsis thaliana, the widely cultivated Vitis vinifera cv. Cabernet Sauvignon, and the coral fungus Clavicorona pyxidata, samples that have challenged short-read assembly approaches. The FALCON-based assemblies are substantially more contiguous and complete than alternate short- or long-read approaches. The phased diploid assembly enabled the study of haplotype structure and heterozygosities between homologous chromosomes, including the identification of widespread heterozygous structural variation within coding sequences.

The DNA sequencing technologies in use today produce either highly accurate short reads or less-accurate long reads. We report the optimization of circular consensus sequencing (CCS) to improve the accuracy of single-molecule real-time (SMRT) sequencing (PacBio) and generate highly accurate (99.8%) long high-fidelity (HiFi) reads with an average length of 13.5 kilobases (kb). We applied our approach to sequence the well-characterized human HG002/NA24385 genome and obtained precision and recall rates of at least 99.91% for single-nucleotide variants (SNVs), 95.98% for insertions and deletions <50 bp (indels) and 95.99% for structural variants. Our CCS method matches or exceeds the ability of short-read sequencing to detect small variants and structural variants. We estimate that 2,434 discordances are correctable mistakes in the ‘genome in a bottle’ (GIAB) benchmark set. Nearly all (99.64%) variants can be phased into haplotypes, further improving variant detection. De novo genome assembly using CCS reads alone produced a contiguous and accurate genome with a contig N50 of >15 megabases (Mb) and concordance of 99.997%, substantially outperforming assembly with less-accurate long reads. High-fidelity reads improve variant detection and genome assembly on the PacBio platform.

An improved reference genome for maize, using single-molecule sequencing and high-resolution optical mapping, enables characterization of structural variation and repetitive regions, and identifies lineage expansions of transposable elements that are unique to maize. The maize genome was initially reported in 2009 but with some accuracy limitations. Doreen Ware and colleagues report a new reference genome for maize using single-molecule sequencing and high-resolution optical mapping. The technique shows improvements in the gene space including resolution of gaps and misassemblies and correction of order and orientation of genes. The authors characterize structural variation and repetitive regions, and identify transposable element lineage expansions unique to maize. Complete and accurate reference genomes and annotations provide fundamental tools for characterization of genetic and functional variation1. These resources facilitate the determination of biological processes and support translation of research findings into improved and sustainable agricultural technologies. Many reference genomes for crop plants have been generated over the past decade, but these genomes are often fragmented and missing complex repeat regions2. Here we report the assembly and annotation of a reference genome of maize, a genetic and agricultural model species, using single-molecule real-time sequencing and high-resolution optical mapping. Relative to the previous reference genome3, our assembly features a 52-fold increase in contig length and notable improvements in the assembly of intergenic spaces and centromeres. Characterization of the repetitive portion of the genome revealed more than 130,000 intact transposable elements, allowing us to identify transposable element lineage expansions that are unique to maize. Gene annotations were updated using 111,000 full-length transcripts obtained by single-molecule real-time sequencing4. In addition, comparative optical mapping of two other inbred maize lines revealed a prevalence of deletions in regions of low gene density and maize lineage-specific genes.

The human reference genome assembly plays a central role in nearly all aspects of today's basic and clinical research. GRCh38 is the first coordinate-changing assembly update since 2009; it reflects the resolution of roughly 1000 issues and encompasses modifications ranging from thousands of single base changes to megabase-scale path reorganizations, gap closures, and localization of previously orphaned sequences. We developed a new approach to sequence generation for targeted base updates and used data from new genome mapping technologies and single haplotype resources to identify and resolve larger assembly issues. For the first time, the reference assembly contains sequence-based representations for the centromeres. We also expanded the number of alternate loci to create a reference that provides a more robust representation of human population variation. We demonstrate that the updates render the reference an improved annotation substrate, alter read alignments in unchanged regions, and impact variant interpretation at clinically relevant loci. We additionally evaluated a collection of new de novo long-read haploid assemblies and conclude that although the new assemblies compare favorably to the reference with respect to continuity, error rate, and gene completeness, the reference still provides the best representation for complex genomic regions and coding sequences. We assert that the collected updates in GRCh38 make the newer assembly a more robust substrate for comprehensive analyses that will promote our understanding of human biology and advance our efforts to improve health.

A large outbreak of diarrhea and the hemolytic–uremic syndrome caused by an unusual serotype of Shiga-toxin–producing Escherichia coli (O104:H4) began in Germany in May 2011. As of July 22, a large number of cases of diarrhea caused by Shiga-toxin–producing E. coli have been reported — 3167 without the hemolytic–uremic syndrome (16 deaths) and 908 with the hemolytic–uremic syndrome (34 deaths) — indicating that this strain is notably more virulent than most of the Shiga-toxin–producing E. coli strains. Preliminary genetic characterization of the outbreak strain suggested that, unlike most of these strains, it should be classified within the enteroaggregative pathotype of E. coli.

Although cholera has been present in Latin America since 1991, it had not been epidemic in Haiti for at least 100 years. Recently, however, there has been a severe outbreak of cholera in Haiti.

Antibody microarrays have the potential to revolutionize protein expression profiling. The intensity of specific signal produced on a feature of such an array is related to the amount of analyte that is captured from the biological mixture by the immobilized antibody (the "capture agent"). This in turn is a function of the surface density and fractional activity of the capture agents. Here we investigate how these two factors are affected by the orientation of the capture agents on the surface. We compare randomly versus specifically oriented capture agents based on both full-sized antibodies and Fab' fragments. Each comparison was performed using three different antibodies and two types of streptavidin-coated monolayer surfaces. The specific orientation of capture agents consistently increases the analyte-binding capacity of the surfaces, with up to 10-fold improvements over surfaces with randomly oriented capture agents. Surface plasmon resonance revealed a dense monolayer of Fab' fragments that are on average 90% active when specifically oriented. Randomly attached Fab's could not be packed at such a high density and generally also had a lower specific activity. These results emphasize the importance of attaching proteins to surfaces such that their binding sites are oriented toward the solution phase.

Female Aedes aegypti mosquitoes infect more than 400 million people each year with dangerous viral pathogens including dengue, yellow fever, Zika and chikungunya. Progress in understanding the biology of mosquitoes and developing the tools to fight them has been slowed by the lack of a high-quality genome assembly. Here we combine diverse technologies to produce the markedly improved, fully re-annotated AaegL5 genome assembly, and demonstrate how it accelerates mosquito science. We anchored physical and cytogenetic maps, doubled the number of known chemosensory ionotropic receptors that guide mosquitoes to human hosts and egg-laying sites, provided further insight into the size and composition of the sex-determining M locus, and revealed copy-number variation among glutathione S-transferase genes that are important for insecticide resistance. Using high-resolution quantitative trait locus and population genomic analyses, we mapped new candidates for dengue vector competence and insecticide resistance. AaegL5 will catalyse new biological insights and intervention strategies to fight this deadly disease vector. An improved, fully re-annotated Aedes aegypti genome assembly (AaegL5) provides insights into the sex-determining M locus, chemosensory systems that help mosquitoes to hunt humans and loci involved in insecticide resistance and will help to generate intervention strategies to fight this deadly disease vector.