Đây thực sự là thời kỳ hoàng kim của công nghệ giải trình tự DNA. Từ các công cụ giải trình tự bằng phương pháp tổng hợp đã trở nên phổ biến trong bối cảnh phương pháp Sanger thống trị, đến giải trình tự phân tử đơn và giải trình tự nanopore, hiện nay có nhiều cơ hội hơn bao giờ hết để tìm ra máy giải trình tự phù hợp cho từng ứng dụng.
Hiện nay, một loại công nghệ giải trình tự mới đang nổi lên: giải trình tự bằng phương pháp mở rộng (SBX). Với độ dài đoạn đọc từ 50 bp đến hơn 1.000 bazơ và tốc độ giải trình tự nhanh cho phép phân tích gần như thời gian thực, SBX có thể là lựa chọn phù hợp cho các phòng thí nghiệm quan tâm đến giải trình tự toàn bộ hệ gen tế bào soma hoặc tế bào mầm hoặc các ứng dụng khác.
Phương pháp SBX độc đáo kết hợp những tiến bộ trong phương pháp giải trình tự nanopore với hóa học mới, tạo ra một phiên bản mở rộng của phân tử ban đầu để phân tích dễ dàng và chính xác hơn. Mặc dù giải trình tự bằng nanopore mang lại một số ưu điểm, nhưng các nhà phát triển từ lâu đã phải vật lộn với thách thức phát hiện tín hiệu từ mỗi bazơ theo đúng thứ tự, mà không vô tình thu nhận tín hiệu từ các bazơ khác ở gần đó hoặc bỏ sót các bazơ do phân tử di chuyển qua nanopore quá nhanh. Phương pháp SBX khắc phục vấn đề đó bằng cách tách các axit nucleic khỏi khung xoắn ốc của chúng và tận dụng các chất chỉ thị mới, duy trì trình tự chính xác của chúng đồng thời tăng khoảng cách giữa chúng để cho phép phát hiện chính xác hơn thông qua lỗ nano.
Quy trình SBX bắt đầu bằng việc tạo ra một phân tử bổ sung, tiếp theo là một phản ứng sinh hóa làm giãn nở phân tử thành một polyme gọi là Xpandomer, sau đó được kéo qua một đầu đọc nanopore để cho phép giải trình tự nhanh chóng các phân tử riêng lẻ. Với hàng triệu lỗ nano được nhúng vào một mảng cảm biến mật độ cao, việc giải trình tự có thể được thực hiện ở quy mô lớn — công nghệ SBX có thể đọc hàng trăm triệu bazơ mỗi giây.
Xây dựng Xpandomer
Xpandomer được tạo ra từ một quá trình chuyển đổi mở rộng khuôn mẫu DNA ban đầu, mã hóa trình tự của nó thành một polymer với khoảng cách lớn hơn giữa mỗi bazơ. Xpandomers được cấu tạo từ các nucleotide triphosphate có khả năng mở rộng, hay còn gọi là X-NTPs. Có bốn X-NTP, mỗi loại tương ứng với một bazơ, và chúng được thiết kế để dễ dàng phân biệt với nhau. X-NTP đóng vai trò là chất nền trong quá trình sao chép, chuyển đổi khuôn mẫu ban đầu thành Xpandomer. Được thúc đẩy bởi một loại polymerase có tên là XP synthase, quá trình này đã được chứng minh là đạt được độ chính xác đọc thô tuyệt vời và độ dài đọc dài hơn mà không bị cản trở bởi hàm lượng GC. Xpandomer cuối cùng dài hơn khuôn mẫu DNA ban đầu hơn 50 lần.
Đọc trình tự
Sau khi khuôn mẫu DNA được chuyển đổi thành Xpandomer, nó sẵn sàng được đưa qua một lỗ nano sinh học, nơi có thể phát hiện danh tính của từng bazơ. Polyme được dẫn hướng qua lỗ xốp bằng cách sử dụng các xung điện, di chuyển phân tử từng bước một. 
Hình 1 (bên trái): Cấu trúc bậc hai của một khuôn mẫu 222-mer đang được giải trình tự. Cấu trúc này được tạo ra thông qua công cụ dự đoán cấu trúc thứ cấp của DNA trên vectorbuilder.com.
Hình 2 (bên phải): Các vùng được phóng đại của dấu vết dòng ion thể hiện trình tự SBX của các vùng đồng polymer, lặp lại và kẹp tóc. Trích từ bản thảo chưa xuất bản (xem thêm bên dưới).
Với hàng triệu lỗ chân lông hoạt động cùng lúc, công nghệ SBX cho phép người dùng bắt đầu quá trình gọi trình tự ngay cả khi polymer đang được đọc và dừng quá trình sau khi các yêu cầu về trình tự đã được đáp ứng. Quá trình xử lý dữ liệu cũng có thể bắt đầu trong quá trình chạy, cho phép các nhà nghiên cứu bắt đầu phân tích sớm ngay cả khi dữ liệu trình tự vẫn đang được thu thập. Không giống như hầu hết các máy giải trình tự có thời gian chạy cố định, thời gian chạy của SBX có thể điều chỉnh để đáp ứng nhiều nhu cầu khác nhau, chẳng hạn như ghép kênh theo lô nhỏ hoặc tối ưu hóa cho các đoạn đọc dài hơn.
Ưu điểm của SBX
Công nghệ SBX được thiết kế với mục tiêu linh hoạt và hiệu suất cao. So với các kỹ thuật giải trình tự khác hiện nay, kỹ thuật này mang lại nhiều ưu điểm, và các nhà khoa học đang nỗ lực tiếp tục cải thiện hiệu suất của nó. Các lợi ích hiện tại bao gồm:
-
-
-
- Hoạt động linh hoạt, có thể điều chỉnh theo nhu cầu của mẫu.
- Độ chính xác cao với điểm F1 được chứng minh là >99,80% (SNV) và >99,7% (indel) đối với mẫu toàn bộ hệ gen HG001.
- Tốc độ xử lý rất cao, có khả năng giải trình tự bảy bộ gen trong 1 giờ với độ phân giải >30x; >5 tỷ lượt đọc kép trong 1 giờ giải trình tự.
- Độ dài đoạn đọc linh hoạt, từ 50bp đến hơn 1000bp.
- Các tùy chọn quy trình làm việc cực nhanh cho các mẫu khẩn cấp, bao gồm định dạng chuyển đổi mẫu thành biến thể trong vòng chưa đầy 7 giờ.
- Hiệu quả về chi phí nhờ mô-đun cảm biến có khả năng mở rộng và tái sử dụng.
-
-
Tại thời điểm viết bài này, công nghệ SBX vẫn đang trong giai đoạn phát triển và chỉ được sử dụng cho mục đích nghiên cứu. Để biết thêm chi tiết kỹ thuật về công nghệ SBX, cũng như kết quả từ một dự án giải trình tự thí điểm, vui lòng tham khảo bản thảo này.
