Những Tiến Bộ Trong Giải Trình Tự DNA: Từ Thủ Công đến Tự động

Trang chủ » Trình Tự Dna » Những Tiến Bộ Trong Giải Trình Tự DNA: Từ Thủ Công đến Tự động

Có thể bạn quan tâm

Những tiến bộ trong giải trình tự DNA: Từ thủ công đến tự động

BioMedia

Giải trình tự đã đi từ việc thao tác bằng tay trong phòng thí nghiệm tốn kém cho tới các phương pháp nhanh và rẻ như ngày nay.

Từ đầu thập niên 1980, Richard Wilson, cử nhân trường đại học Oklahoma đã dành thời gian cho việc đọc DNA. Ban đầu, ông cho bốn nucleotide đã được đánh dấu phóng xạ để bắt cặp với các base tự nhiên của chuỗi DNA khuôn trong tổng hợp các đoạn DNA mới. Sau đó, ông cho hỗn hợp sản phẩm DNA có chứa base đánh dấu phóng xạ vào các giếng riêng biệt trên gel polyacrylamide, và điện di, kết quả là các chuỗi được phân tách thành các vạch tại vị trí tương ứng độ dài của chúng tương ứng là hiện diện của các base phóng xạ trong sản phẩm DNA.

"Tất cả đều rất thủ công", Wilson, giám đốc Viện Genome McDonnell tại Đại học Washington ở St. Louis cho biết. "Chúng tôi đã từng chạy điện di những bản gel để giải trình tự, rồi đi ăn tối với một vài ly bia. Sau đó, chúng tôi lại quay về phòng thí nghiệm vào khoảng hai giờ sáng, lấy gel điện di ra và áp lên phim X-ray, và phân tích các vạch điện di vào ngày hôm sau".

Wilson và các cộng sự thường đọc trình tự của các base trên phim X-ray, đi từ đoạn ngắn nhất đến đoạn dài nhất, và ghi các chuỗi này vào máy tính. Bằng phương pháp trên, họ thực hiện cùng lúc bốn thí nghiệm điện di, và nhóm đã hoàn thành 17.553 base trong bộ gen ty thể của loài ếch Xenopus laevis trong hai năm.

Phương pháp trên, được gọi là dideoxy (khử hai gốc oxy) hoặc giải trình tự Sanger, được công bố vào năm 1977 và là một trong những kỹ thuật đầu tiên được áp dụng phổ biến trong giải trình tự DNA. Trong suốt một thập kỷ, kỹ thuật này được thực hiện thủ công trong các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới và là phương pháp chính để lập trình tự từng gen và bộ gen nhỏ của virus. Tuy nhiên, mọi thứ đã thay đổi. Giải trình tự DNA đã trở thành đỉnh cao trong công cuộc cách mạng về công nghệ, thúc đẩy tạo ra phương pháp nhanh, rẻ, chính xác hơn, biến genomic thành công cụ hữu ích trong thời đại dữ liệu khoa học như ngày nay.

Leroy Hood, người đồng sáng lập Applied Biosystems Inc. (ABI) vào năm 1981 – đã phát triển một số thiết bị góp phần thúc đẩy cuộc cách mạng trên, cho biết: “Rõ ràng là giải trình tự DNA tự động đã sẵn sàng trở thành chìa khóa cho nền sinh học tương lai. Sinh học phân tử đang dần tiên phong, và rõ ràng là để nắm bắt thông tin sinh học trong cơ thể sống… Giải trình tự đang ngày càng quan trọng”.

Tăng tốc

Năm 1986, ABI công bố máy giải trình tự DNA tự động đầu tiên. Mặc dù dựa trên kỹ thuật Sanger, nhưng thiết bị mới này đã sử dụng huỳnh quang, chứ không phải phóng xạ để đánh dấu. Mỗi màu sẽ tương ứng cho một nucleotide, điều này có nghĩa là khi giải trình tự mỗi đoạn DNA chỉ cần một làn trong một gel thay vì bốn. Sau điện di, trình tự base có thể được đọc từ gel qua máy tính được trang bị thấu kính và bộ khuếch đại.

Công nghệ trên không phải là rẻ với giá từ 2 đôla đến 5 đôla cho mỗi base được giải trình tự, nhưng việc đọc DNA trở nên thực tiễn hơn. Năm 1990, Wilson, cùng với nhóm nghiên cứu tại Đại học Washington ở St. Louis và phòng thí nghiệm Sinh học phân tử ở Cambridge, đã có bước tiến xa hơn: giải trình tự toàn bộ hệ gen của một động vật đa bào, loài giun tròn Caenorhabditis elegans bằng công nghệ ABI. Sau tám năm, dự án 97-megabase được coi là hoàn thành. Trong khi đó, cũng bắt đầu vào năm 1990, một nhóm nghiên cứu quốc tế lớn hơn đã thành công ở dự án với quy mô tầm cỡ: giải trình tự hệ gen của người với 3,3 tỷ nucleotide.

Kim Worley, nhà di truyền học tại Đại học Y Baylor, người tham gia vào dự án Human Genome Project trên cho biết "Chúng tôi nghĩ rằng nó sẽ được cải tiến. Các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới đã dành nhiều thời gian phân tích một phần của một gen. Có được toàn bộ bộ gen một lúc sẽ mang đến lợi ích vô cùng to lớn”. Với mười năm và 3 tỉ đôla, các thành viên của dự án đã hoàn thành bản dự thảo của bộ gen người.

Giải trình tự song song

Khi các nhà nghiên cứu đã phân tích, chọn lọc những dữ liệu từ các dự án trên, một làn sóng công nghệ về giải trình tự thế hệ mới (next-gen sequencing) đã bắt đầu xuất hiện. Những công nghệ này sử dụng song song với nhau theo quy mô lớn, và có khả năng tạo ra "hàng triệu trình tự khác nhau một cách đồng loạt, nhưng độ dài rất ngắn", Hood phát biểu.

Trong một thiết bị giải trình tự next-gen – một thành công về mặt thương mại đầu tiên, được phát hành bởi Life Sciences 454 vào năm 2005, là quá trình chạy song song thực hiện thông qua sự khuếch đại nhanh đoạn DNA ngắn bằng phản ứng chuỗi tổng hợp (PCR). Trong đó, các nucleotide được đọc bởi một kỹ thuật gọi là pyrosequencing (giải trình tự DNA thế hệ mới bằng phương pháp tổng hợp, không điện di). Hệ thống này có thể giải trình tự của 25 triệu base với độ chính xác 99% trong một lần chạy trong 4 giờ - hiệu suất tăng gấp 100 lần – với giá chỉ bằng 1/6 chi phí của các phương pháp truyền thống.

Một năm sau đó, Solexa (được mua lại bởi Illumina vào năm 2007) giới thiệu công nghệ giải trình tự thế hệ mới, đươc sử dụng rộng rãi cho đến nay. Thay vì khuếch đại dựa trên các hạt từ, hệ thống Illumina sử dụng kỹ thuật gọi là cầu khuếch đại nhằm nhân bản các chuỗi DNA đơn được cố định trên bản flow cell (đĩa phẳng chứa các lane, trong đó cố định các mồi sẵn). Các trình tự này sẽ tự đọc thông qua các nucleotide được đánh dấu bằng huỳnh quang, tương tự như trong phương pháp Sanger. Với cách này, công nghệ trên đã trở nên phổ biến trong nghiên cứu và lâm sàng, đây là sự lựa chọn rẻ và hiệu quả. Sự xuất hiện của hệ thống IIlumina HiSeq X Ten vào năm 2014 làm giảm chi phí cho việc giải trình tự một bộ gen người xuống dưới 1 000 đôla.

Những giới hạn mới

Lĩnh vực giải trình tự vẫn đang phát triển mà không hề có dấu hiệu chậm lại. Ngày nay, các công nghệ mới như giải trình tự đơn phân tử theo thời gian thực (SMRT – Single-molecule-real-time) và vi lỗ (nanopore) không cần tới việc khuếch đại, có ưu điểm là tốc độ nhanh hơn, giảm sự sai sót do PCR và cho phép đọc các chuỗi dài hơn, kỹ thuật đơn phân tử này còn giữ lại các phân tử liên kết trên DNA, do đó mà các nhà nghiên cứu "có thể đọc được sự methyl hóa và các dấu ấn ban đầu" – Church cho biết, từ đó giúp đọc thông tin di truyền và ngoại di truyền cùng lúc (Sons of Next Gen).

Công nghệ này được gọi là “giải trình tự thế hệ thứ 3” xuất hiện trong lĩnh vực nghiên cứu y sinh học. Điển hình, vào đầu năm nay, các nhà khoa học đã sử dụng thiết bị vi lỗ di động MinION của Oxford Nanopore để phân biệt các chủng Ebola ở Tây Phi với thời gian giải trình tự giảm xuống 60 phút. Một thiết bị khác tương tự gần đây cũng đang được sử dụng tại Brazil để thiết lập bản đồ về sự lây lan của virus Zika trên toàn quốc, và cũng được sử dụng vào mùa hè này để giải trình tự DNA trên trạm không gian.

Một điều tất yếu là những công nghệ mới ra đời này không thể tránh khỏi thiếu sót, Wilson cho biết "Tôi có thể nói rằng nó không hẳn có sức mạnh to lớn như vậy. Nếu bạn dự định sử dụng những công nghệ đó trong nghiên cứu hoặc thử nghiệm lâm sàng, bạn có thể thu được những kết quả không đổi qua các lần thí nghiệm nhưng tôi không chắc chắn về điều đó”.

Tuy nhiên theo Hood, Viện trưởng Viện hệ thống sinh học ở Seattle, thì các công nghệ mới này sẽ tạo ra sự chuyển biến và thúc đẩy sự tiến bộ của khoa học một cách nhanh chóng.

Sự phát triển của công nghệ giải trình tự DNA.

Các mốc thành tựu nổi bật trong sự phát triển của công nghệ giải trình tự DNA.

Tài liệu tham khảo:

Catherine Offord, "DNA Sequencing: From Tedious to Automatic", The scientist, October 1, 2016.

Lược dịch Lê Văn Trình- Võ Hồng Ngọc

Biên tập Biomedia Việt Nam

BioMedia Việt Nam
Sản phẩm - Công nghệ mới
Hệ thống thử nghiệm hoạt tính và độc tính tế bào NK
Máy giải trình tự gen điện di mao quản 3500
Máy điện di mao quản phân tích đoạn DNA/RNA Fragment Analyser
Máy PCR Gradient 96 giếng
Máy Realtime PCR 7500

Các bài viết cùng chủ đề

Những tiến bộ trong giải trình tự DNA: Từ thủ công đến tự động

21-10-2016

Giải trình tự đã đi từ việc thao tác bằng tay trong phòng thí nghiệm tốn kém cho tới các phương pháp nhanh và rẻ...

Tế bào gốc (Phần 6)- Trị liệu tế bào gốc

21-10-2016

(tiếp) 6. Thử nghiệm lâm sàng làm gì? Một thử nghiệm lâm sàng là một nghiên cứu được thiết kết để trả lời một câu...

Từ khóa » Trình Tự Dna