Tổng quan công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới

Giải trình tự gen thế hệ mới (Next Generation Sequencing – NGS) là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng trong sinh học phân tử và công nghệ sinh học. Công nghệ này đã cách mạng hóa cách chúng ta nghiên cứu về bộ gene (genome), hệ phiên mã (transcriptomes) và ngành epigenomes. NGS là kỹ thuật thông lượng cao (high-throughput technology) cho phép giải trình tự đồng thời hàng triệu đoạn DNA trong một lần chạy. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về công nghệ NGS.

Giải trình tự gen thế hệ mới NGS là gì?

NGS là một công nghệ giải trình tự DNA cho phép giải trình tự đồng thời hàng triệu đoạn DNA trong một lần chạy. Kỹ thuật này giúp tăng đáng kể tốc độ và độ chính xác việc giải trình tự DNA. NGS dựa trên nguyên tắc giải trình tự song song (parallel sequencing), trong đó hàng triệu đoạn DNA được giải trình tự đồng thời. Cách tiếp cận này, NGS cung cấp một dữ liệu lớn với độ phân giải cao cho phép nghiên cứu, phân tích những bộ gen và hệ phiên mã phức tạp. Không giống như phương pháp giải trình tự truyền thống như giải trình tự Sanger, NGS cho kết quả nhanh và tiết kiệm chi phí hơn; ví dụ NGS có thể giải trình tự toàn bộ genome trong vài ngày, thay vì mất vài tháng hoặc thậm chí nhiều năm so với phương pháp truyền thống. 

Quy trình thực hiện giải trình tự gen thế hệ mới NGS

Quy trình thực hiện kỹ thuật NGS bao gồm các bước cơ bản sau:

• Tách chiết mẫu bệnh phẩm: NGS có thể thực hiện trên bất kỳ nền mẫu DNA hoặc RNA (ví dụ: mẫu nuôi cấy tế bào, tế bào đông lạnh, tế bào xử lý bằng formalin-paraffin (FFPE), máu, nước bọt và mẫu xương,…). 
• Chuẩn bị thư viện: các đoạn DNA được nhân bản và phân mảnh thành các mảnh nhỏ hơn (small fragment). Những mảnh nhỏ hơn này sau đó được gắn với các adapters đặc hiệu và được nhân bản để tạo thư viện DNA (DNA libraries). Các thư viện này sau đó được giải trình tự bằng phương pháp giải trình tự gen thế hệ mới NGS.
• Giải trình tự: hệ thống sẽ đọc/giải trình tự các đoạn ngắn, sau đó được đối chiếu theo bộ gen hoặc hệ phiên mã tham chiếu.
• Phân tích dữ liệu: dữ liệu được phân tích bằng công cụ tin sinh học để đưa ra thông tin hữu ích như biến thể di truyền, mức độ biểu hiện gen và chỉnh sửa ngoại gene (epigenetic).

Nền tảng giải trình tự gen thế hệ mới NGS

Trên thị trường hiện nay, mỗi nền tảng giải trình tự gen thế hệ mới có những điểm mạnh và hạn chế riêng. Các nền tảng NGS được sử dụng phổ biến nhất như: Illumina, Ion Torrent và Pacific Bioscatics. Illumina là nền tảng được sử dụng rộng rãi nhất, cung cấp giải pháp giải trình tự với thông lượng cao, chi phí thấp cho nhiều ứng dụng khác nhau. Ion Torrent là một nền tảng sử dụng chip bán dẫn đếm proton (ion H+) xác định trình tự nucleotide trong DNA thông qua việc phát hiện tín hiệu điện do ion H+ được giải phóng ra trong quá trình tổng hợp DNA bằng các máy đo pH siêu nhỏ gắn vào chip cảm ứng bán dẫn và đặc biệt thích hợp cho việc nghiên cứu các bộ gen nhỏ hơn. Pacific Biosciences cung cấp trình tự đọc dài, rất hữu ích cho việc nghiên cứu các vùng gen phức tạp, chẳng hạn như các biến thể lặp lại và các biến thể cấu trúc.

Ứng dụng giải trình tự gen thế hệ mới NGS

Giải trình tự gen thế hệ mới NGS được ứng dụng trong các lĩnh vực như: di truyền học, bộ gen (genomics) và y học cá nhân. Ví dụ, NGS có thể được sử dụng để nghiên cứu các biến thể di truyền, chẳng hạn như đa hình đơn nucleotide (single-nucleotide polymorphism, SNP) và biến thể số lượng bản sao (copy number variations – CNVs). 

NGS sử dụng để nghiên cứu mức độ biểu hiện gen và chỉnh sửa ngoại gen, ví dụ như methyl hóa DNA và chỉnh sửa histone. NGS cũng hữu ích cho việc nghiên cứu hệ vi sinh vật của con người và xác định các cộng đồng vi sinh vật. Ngoài ra, NGS được sử dụng trong việc phát triển các công cụ chẩn đoán và điều trị mới, chẳng hạn như dấu ấn sinh học ung thư và y học cá nhân.

Tóm lại, giải trình tự gen thế hệ mới NGS là một công cụ mạnh mẽ để giải trình tự DNA đã cách mạng hóa trong lĩnh vực sinh học phân tử và bộ gen. Công nghệ này cung cấp một loạt các ứng dụng và có khả năng tác động đáng kể đến sự hiểu biết của chúng ta về các bệnh phức tạp và sự phát triển của các công cụ chẩn đoán và điều trị mới. 

Nguồn: Tổng hợp