9 công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới và ưu nhược điểm mỗi loại

29/08/2019 14:52
Giải mã ADN luôn là thách thức với y học hiện đại. Ngày nay, sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ đã tạo ra những phương pháp giải trình tự gen thế hệ mới. Điều đó góp phần to lớn để điều trị các căn bệnh hiểm nghèo. Những đánh giá sau đây sẽ cho bạn cái nhìn rõ ràng về các công nghệ này.

1. Tìm hiểu kỹ thuật giải trình tự gen là gì?  

Giải trình tự gen là kỹ thuật nhằm xác định trình tự nucleotide của một đoạn cắt DNA, một gen thông qua các phương pháp hóa học hoặc giải trình tự gen thế hệ mới.

Giải trình tự gen là gì

Giải trình tự gen là gì (Nguồn: netdna-ssl.com)

2. Sự hình thành và phát triển của kỹ thuật giải trình tự gen

Kỹ thuật này được ra đời vào những năm 70 của thế kỷ 20. Thời gian đầu, kỹ thuật này dựa trên các phương pháp hóa học rất mất thời gian và tốn kém, đồng thời bị hạn chế về lưu lượng xử lý.  

Năm 2000, kỹ thuật giải trình tự gen thế hệ mới NGS ra đời giúp giảm khoảng 50.000 lần chi phí và tăng từ 100 đến 1000 lưu lượng xử lý so với công nghệ trước đó. Trải qua gần 20 năm phát triển, giải trình tự gen thế hệ mới đã trải qua 4 thế hệ với những bước tiến dài vượt bậc giúp con người giải mã được nhiều hệ gen.

  • Thế hệ 1: Sử dụng phương pháp phân tách ngẫu nhiên một đoạn DNA ngắn bằng axit deoxyribonucleic để xác định trình tự nucleotide. Phương pháp này có tên là Sanger. . 

  • Thế hệ 2: Giai đoạn này có 3 phương pháp nổi bật là Pyrosequencing, Ion Semiconductor và Illumina. 

  • Thế hệ 3: Giải trình tự gen thế hệ mới sử dụng cách quan sát tín hiệu tức thời của huỳnh quang đơn phân tử khi tiến sát vào một lỗ có kích thước nano chứa chuỗi DNA. 

  • Thế hệ thứ 4: Đây là thế hệ mới nhất và vẫn đang trong quá trình hoàn thiện. Giai đoạn này, các nhà khoa học sử dụng tín hiệu điện phân tử để phân tách và xác định trình tự gen. 

Giải mã bộ gen luôn là thách thức đối với nền y học hiện đại

Giải mã bộ gen luôn là thách thức đối với nền y học hiện đại (Nguồn: wired.com)

3. Mục đích của kỹ thuật giải trình tự gen là gì

Hiện nay kỹ thuật này thường được sử dụng để phân tích các đột biến gen hoặc xác định trình tự một gen lạ nằm trong cơ thể mang bệnh, đồng thời tìm ra các đặc điểm di truyền qua các thế hệ. 

Nhờ chi phí thấp hơn rất nhiều so với phương pháp hóa học của những năm 70 thế kỷ trước mà kỹ thuật giải trình tự gen thế hệ mới còn có thể ứng dụng trong chẩn đoán lâm sàng, sàng lọc 16 bệnh ung thư sớm, xác định các chủng gây bệnh và truyền nhiễm, tầm soát ung thư. Ngoài ra, kỹ thuật này còn được dùng để xác định những giống cây mới, những mã gen có tác dụng chống sâu bệnh, ngập úng, hạn hán… trong nông nghiệp.

4. Đánh giá các thế hệ giải trình tự gen đang được áp dụng phổ biến

4.1. Phương pháp giải trình tự gen Sanger - Giải trình tự thế hệ thứ nhất

Phương pháp giải trình tự gen Sanger là phương pháp đặt nền móng đầu tiên cho kỹ thuật giải trình tự gen thế hệ mới. Các nhà khoa học sẽ dùng 4 ống nghiệm, mỗi ống chứa 1 đoạn RNA hoặc DNA ngắn và được đánh dấu bằng chỉ thị huỳnh quang. 

Sau đó, họ sử dụng một thiết bị có khả năng tự động dò tìm và phát hiện các tín hiệu huỳnh quang. Sau đó tổng hợp thành trình tự gen. Phương pháp này tuy đã có sự tiến bộ so với thời kỳ trước nhưng vẫn có chi phí cao và khó sử dụng trong các dự án nghiên cứu lớn.

4.2. Giải trình tự gen thế hệ thứ 2

4.2.1. Pyrosequencing 

Pyrosequencing được coi là một bước nâng cao của phương pháp Sanger. Kỹ thuật này sử dụng nguyên lý “giải trình tự bằng tổng hợp”. Trong đó, DNA sẽ cắt thành mảnh nhỏ và gắn lại với nhau bằng phản ứng của enzyme. Các đoạn DNA sẽ được khuếch đại bằng cách nhũ tương hóa với các hóa chất và chuyển vào Picotiter. 

Các thiết bị khoa học sẽ giúp nhận biết Pyrophosphate (PPi) đã giải phóng khi gắn nucleotide. Sau cùng, bằng phần mềm tin sinh, các nhà khoa học sẽ gắn kết các đoạn DNA đã được với nhau, tạo nên trình tự gen đầy đủ.

Kỹ thuật này có lưu lượng xử lý dài khoảng 400 bp, giảm bớt chi phí và phân tích được riêng từng đoạn DNA. Tuy nhiên, với các loại Nucleic acid bị lặp lại liên tục trên 6 nu thì Pyrosequencing khó cho kết quả phân tích chính xác. Dù đã có nâng cao so với phương pháp Sanger nhưng Pyrosequencing vẫn được đánh giá là tốn kém, phức tạp, chưa có tính ứng dụng cao.  

4.2.2. Ion Torrent sequencing/Ion semiconductor sequencing

Phương pháp này sử dụng các máy đo pH có kích thước siêu nhỏ được gắn vào chip cảm ứng bán dẫn để nhận tín hiệu điện của ion H+. Các ion này sẽ được giải phóng khi tổng hợp DNA. 

Phương pháp này không sử dụng quang học nên tiết kiệm chi phí đầu tư cho hệ thống quang học (camera, phin lọc, đèn laser), có thể giải mã thế hệ gen người trong 2-3 giờ và phân tích được riêng từng đoạn DNA. Tuy nhiên, phương pháp này có độ chính xác giảm từ base thứ 250, tiến hành phức tạp, khó xác định trình tự lặp lại liên tiếp của nucleotide và cần nhiều loại hóa chất có giá thành cao.

4.2.3. Giải trình tự gen thế hệ mới Illumina (Solexa)

Phương pháp này sử dụng các loại máy khoa học để xử lý các đoạn DNA và hợp chất hóa học. Khi đó 1 A được mặc định gắn thêm vào đầu 3' hoặc 5' của chuỗi DNA đang tổng hợp dựa theo nguyên tắc bổ sung. 

Giải trình tự gen thế hệ mới Illumina có ưu điểm nổi bật hơn hẳn Sanger là có thể giải mã gen song song số lượng lớn các đoạn DNA khác nhau cùng lúc, giúp tiết kiệm thời gian, đồng thời cho phép phân tích được riêng từng đoạn DNA. Tuy nhiên, phương pháp này có độ chính xác giảm từ base thứ 250, cần nhiều loại hóa chất có giá thành cao và cần 23 giờ để có thể thực hiện.

Illumina được ứng dụng nhiều nhờ sự đơn giản và tiết kiệm thời gian

Illumina được ứng dụng nhiều nhờ sự đơn giản và tiết kiệm thời gian (Nguồn: researchgate.net)

4.3. Giải trình tự gen thế hệ thứ 3 - Single molecular Real Time Sequencing (SMRT)

Được đánh giá là một trong những công nghệ giải trình tự hiện đại hiện nay. Trong khi tất cả phương pháp trong các thế hệ trước và cùng thế hệ 3 đều dựa trên nguyên lý cơ bản “phương pháp gián đoạn chuỗi” do Sanger phát minh thì SMRT lại xác định trình tự ADN bằng cách “quan sát” sự tổng hợp các chuỗi ADN bằng cách tạo ra ADN polymerase đơn lẻ. 

Người ta sử dụng 4 loại nucleotide gắn vào mạch và nucleotide có đánh dấu phosphate để tạo tín hiệu xác định chính xác loại nucleotide trong thời gian thực.Trong khi các đoạn ADN sao chép thì phần mềm sinh hoạt động song song xác định trình tự ADN. Hai quá trình này được hoàn thành cùng lúc.

Nhờ cách "quan sát" này mà quá trình diễn ra nhanh chóng và có lưu lượng xử lý rất lớn. Hiện nay, kỹ thuật này thường được sử dụng là các sinh vật chưa nghiên cứu hệ gen.

4.4. Giải trình tự thế hệ thứ 4 – Oxford Nanopore DNA Sequencing Technology

Oxford Nanopore DNA Sequencing Technology là phương pháp hiện đại sử dụng tín hiệu điện phân tử để giải trình tự gen. Hiện nay, phương pháp này vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển, hứa hẹn những ứng dụng hữu ích trong tương lai.

4.5. Công nghệ giải trình tự thế hệ mới pyrosequencing 454

Đây là công nghệ được 2 nhà khoa học người Thụy Điển là Nyren và Ronaghi phát minh và sản xuất bởi Công ty 454 Life Science. Kỹ thuật giải mã hệ gen mới này dựa theo nguyên lý “giải trình tự bằng tổng hợp” gồm 2 bước: giải trình tự một đoạn ADN và bổ sung các đoạn ADN khác bằng phản ứng enzyme. 

Các đoạn DNA sẽ được khuếch đại với các hóa chất và chuyển vào các giếng Picotiter. Các thiết bị sẽ nhận biết Pyrophosphate (PPi) đã giải phóng khi gắn nucleotide. Sau cùng, phần mềm tin sinh sẽ gắn kết các đoạn DNA lại với nhau, tạo nên trình tự gen đầy đủ. Công nghệ pyrosequencing 454 có tính chính xác cao, cho phép thực hiện trong khoảng 400 đến 600 triệu bp trong 10 giờ. Nhờ đó, công nghệ pyrosequencing 454 được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: y học, hệ thống học, sinh học, pháp y.

Công nghệ giải trình tự thế hệ mới pyrosequencing 454

Công nghệ giải trình tự thế hệ mới pyrosequencing 454 (Nguồn: tusach.thuvienkhoahoc.com)

4.6. Công nghệ giải trình tự mới SBS (sequencing by synthesis)

Đây là công nghệ cho phép xử lý số lượng vô cùng lớn các đoạn ADN cần giải trình tự. Nhờ độ bao phủ đồng nhất mà độ chính xác của phương pháp này rất cao. Công nghệ này sử dụng các thiết bị hiện đại, trong đó có máy phân tích gene DNA được nhập khẩu trực tiếp từ Mỹ với khả năng tự động hóa nên giúp tiết kiệm rất nhiều thời gian và công sức. Đặc biệt, trong mỗi lần chạy, thiết bị có thể tạo ra khối lượng dữ liệu ADN hàng ngàn GB giúp rút ngắn quá trình gấp nhiều lần so với trước đây.

4.7.  Công nghệ giải trình tự thế hệ mới SOLiD

Công nghệ SOLiD dựa theo nguyên tắc hoạt động của phương pháp Illumina. Tuy nhiên, nhờ sử dụng các loại thiết bị hiện đại mà có thể tạo ra khối lượng dữ liệu ADN lên đến 60Gb trong mỗi lần chạy. Mặc dù độ chính xác của công nghệ này vẫn tương đương phương pháp Illumina nhưng chi phí để thực hiện thấp hơn nhiều.

Thông qua bài viết, hẳn bạn đã có những đánh giá của riêng mình đối với phương pháp giải trình tự gen thế hệ mới. Càng ngày, các phương pháp này càng được ứng dụng nhiều trong cuộc sống, giúp giải đáp những câu hỏi hóc búa tồn tại hàng trăm năm về ADN, gen, các chứng bệnh di truyền, sự tác động của gen đến khả năng phát triển của sinh vật… Qua thời gian, các thiết bị máy móc giải trình tự ADN cũng được nghiên cứu và phát triển rộng rãi hơn giúp quá trình này trở nên nhanh chóng và tiết kiệm thời gian, dễ dàng đi vào thực tế. Đăng ký phân tích gene DNA tại phòng xét nghiệm hiện đại ở USA kết quả nhanh, tỷ lệ chính xác cao nhé bạn.