معرفی تکنیک توالی یابی نسل جدید (NGS)

“کشف دنیای ژنتیک با دقت و سرعت بی‌نظیر، تنها با یک تست NGS؛ آینده‌ی تحقیقات ژنومیک در دستان شما!”

توالی یابی نسل بعدی (NGS) که به عنوان توالی یابی با توان عملیاتی بالا نیز شناخته می شود، یک اصطلاح جمعی برای فناوری های توالی یابی مدرن است که امکان توالی یابی سریع بخش های بزرگ DNA یا RNA را فراهم می کند. بر خلاف توالی یابی نسل اول (که به آن توالی یابی سنگر گفته می شود)، پلتفرم های NGS توالی یابی موازی زیادی انجام می دهند، به این معنی که می توانند میلیون ها تا میلیاردها قطعه کوچک DNA را به طور همزمان پردازش کنند. NGS می تواند کل ژنوم انسان را در یک روز توالی یابی کند، فرآیندی که با فناوری های قدیمی سال ها طول کشید. این کارآیی انقلابی در ژنومیک ایجاد کرده است و امکان انجام مطالعات در مقیاس بزرگ و تولید سریع داده ها را فراهم کرده است. هزینه توالی یابی در هر پایه با ظهور NGS به شدت کاهش یافته است. این کاهش، توالی‌یابی ژنوم را برای طیف وسیعی از کاربردها، از تحقیقات دانشگاهی گرفته تا تشخیص بالینی، در دسترس‌تر و امکان‌پذیرتر کرده است.

 NGS یک نمای جامع از ژنوم، از جمله توانایی تشخیص چندشکلی های تک نوکلئوتیدی (SNPs)، درج ها و حذف ها (indels)، تغییرات تعداد کپی (CNVs)، و تغییرات ساختاری بزرگ ارائه می دهد. این تجزیه و تحلیل جامع برای درک تنوع ژنتیکی، مکانیسم های بیماری و زیست شناسی تکاملی بسیار مهم است. NGS در توسعه پزشکی دقیق، که در آن اطلاعات ژنتیکی برای تطبیق درمان‌های پزشکی برای بیماران خاص استفاده می‌شود، بسیار مفید بوده است. این امکان را برای شناسایی جهش های ژنتیکی مسئول بیماری ها فراهم می کند، درمان هدفمند و بهبود نتایج بیمار را ممکن می سازد. در تحقیقات، NGS کشف ژن‌های جدید، درک زمینه‌های ژنتیکی بیماری‌ها و کشف تنوع ژنتیکی در بین جمعیت‌ها را تسهیل می‌کند.

همچنین دانش ما را در زمینه هایی مانند متاژنومیکس، اپی ژنتیک و رونویسی گسترش داده است. در محیط بالینی، NGS برای تشخیص اختلالات ژنتیکی، شناسایی سرطان های ارثی و هدایت تصمیمات درمانی استفاده می شود. همچنین نقش کلیدی در تحقیقات بیماری های عفونی با امکان شناسایی و شناسایی سریع عوامل بیماری زا ایفا می کند. NGS با ارائه ابزاری قدرتمند برای تعیین توالی DNA و RNA با سرعت، مقیاس و هزینه بی سابقه، ژنومیکس را متحول کرده است. تأثیر آن در زمینه های مختلف گسترش می یابد و باعث پیشرفت در علم، پزشکی و درک ما از زندگی در سطح مولکولی می شود. تکامل از توالی یابی سانگر به توالی یابی نسل بعدی (NGS) نشان دهنده یک پیشرفت تکنولوژیکی قابل توجه در زمینه ژنومیک است که تأثیرات عمیقی بر تحقیقات ژنتیکی و تشخیص بالینی دارد.

تاثیر NGS بر تحقیقات ژنتیکی و تشخیص بالینی

انتقال روش های توالی یابی به NGS تحقیقات ژنتیکی را به طور تصاعدی تسریع کرده است. این روش توالی یابی کل ژنوم ها و رونوشت ها را به سرعت و با قیمت مناسب امکان پذیر کرده است که منجر به اکتشافاتی در عملکرد، تنظیم و تعامل ژن می شود. NGS همچنین مطالعات ارتباط گسترده ژنوم (GWAS) را تسهیل کرده است و به محققان این امکان را می دهد تا صفات ژنتیکی پیچیده و علل زمینه ای بسیاری از اختلالات ژنتیکی را مطالعه کنند. در حوزه بالینی نیز، NGS رویکردهای تشخیصی، به ویژه در زمینه‌های سرطان‌شناسی، بیماری‌های عفونی و اختلالات ارثی را تغییر داده است. این امکان ایجاد پروفایل ژنومی جامع در سرطان را فراهم می‌کند و به شناسایی جهش‌هایی که می‌توانند با درمان‌های خاص مورد هدف قرار گیرند، کمک می‌کند و در نتیجه عصر پزشکی شخصی‌سازی شده را آغاز می‌کند. برای بیماری های ارثی، NGS غربالگری سریع چندین ژن را به طور همزمان امکان پذیر می کند و دقت و کارایی تشخیص ها را بهبود می بخشد.

بیماری‌های قابل تشخیص توسط NGS

بیماری‌های نقص ایمنی اولیه: این بیماری‌ها شامل اختلالاتی می‌شوند که به دلیل نقص در عناصر سیستم ایمنی رخ می‌دهند. NGS به تشخیص دقیق انواع مختلف نقص ایمنی کمک می‌کند. بیماری‌های نورودژنراتیو: مانند بیماری آلزایمر و بیماری هانتینگتون، که در آنها تغییرات ژنتیکی می‌تواند بر توسعه بیماری تأثیر بگذارد. NGS می‌تواند در شناسایی این تغییرات ژنتیکی مؤثر واقع شود. بیماری‌های متابولیک ارثی: مثل بیماری فنیل کتونوری و بیماری گوچر. این بیماری‌ها به دلیل نقص در آنزیم‌های خاصی که در متابولیسم بدن نقش دارند، ایجاد می‌شوند و توالی‌یابی NGS می‌تواند به تشخیص دقیق آنها کمک کند. سرطان‌ها: NGS امکان تشخیص موتاسیون‌های ژنتیکی مرتبط با انواع مختلف سرطان را می‌دهد. به این ترتیب، می‌توان برنامه‌ریزی درمانی متناسب با پروفایل ژنتیکی هر فرد را ارائه داد. بیماری‌های کاردیوژنتیک: مانند کاردیومیوپاتی‌ها و آریتمی‌های قلبی، که می‌توانند به دلیل تغییرات ژنتیکی باشند. NGS کمک می‌کند تا این تغییرات به دقت شناسایی و بررسی شوند. روش NGS به دلیل دقت بالا و توانایی تجزیه و تحلیل همزمان چندین ژن، ابزاری ارزشمند در عرصه تشخیص پزشکی به شمار می‌رود. این روش نه تنها به تشخیص بیماری‌ها کمک می‌کند بلکه در برنامه‌ریزی درمانی و مدیریت بیماری‌ها نیز نقش اساسی دارد.

مراحل انجام توالی‌یابی نسل بعدی

توالی‌یابی نسل بعدی (NGS) شامل مجموعه‌ای از مراحل است که نمونه‌ای از DNA یا RNA را به مجموعه‌ای جامع از داده‌ها تبدیل می‌کند که نشان‌دهنده توالی بازها در نمونه است. در اینجا اصول اساسی NGS، از جمله آماده سازی کتابخانه، ترتیب بندی و تجزیه و تحلیل داده ها آمده است:

آماده سازی کتابخانه

تکه تکه شدن: نمونه های DNA یا RNA ابتدا به قطعات کوچکتر، به صورت مکانیکی، آنزیمی یا شیمیایی، تکه تکه می شوند تا اندازه های قابل کنترل برای توالی یابی ایجاد شود. ترمیم انتهایی: قطعات تکه تکه شده انتهای آنها ترمیم و فسفریله می شوند تا برای بستن آداپتور آماده شوند. بستن آداپتور: توالی های DNA مصنوعی کوتاه و مصنوعی به نام آداپتورها به هر دو انتهای قطعات متصل می شوند. این آداپتورها برای مراحل بعدی فرآیند توالی یابی ضروری هستند، به عنوان مکان های اولیه برای واکنش توالی یابی و به عنوان دسته هایی برای گرفتن قطعات بر روی یک سطح جامد یا مهره عمل می کنند. انتخاب اندازه: سپس قطعات کتابخانه برای اندازه انتخاب می شوند تا از یکنواختی در فرآیند توالی اطمینان حاصل شود. تکثیر: قطعات پیوند شده با آداپتور برای افزایش مقدار DNA و اطمینان از اینکه مواد کافی برای تعیین توالی در دسترس است، با PCR تکثیر می شوند.

ترتیب دهی

تولید خوشه: قطعات کتابخانه تقویت شده به یک سطح جامد (مانند سلول جریان یا مهره) به گونه ای متصل می شوند که به هر قطعه اجازه می دهد تا از طریق تقویت پل یا امولسیون PCR جدا شود و خوشه های مجزا و کلونال تشکیل دهد. تعیین توالی توسط سنتز (SBS): در بسیاری از پلتفرم های NGS، توالی یابی با سنتز رشته مکمل DNA، یک باز در یک زمان، و تشخیص افزودن هر نوکلئوتید انجام می شود. این فرآیند شامل ترکیب نوکلئوتیدهای نشاندار شده با فلورسنت، با هر یک از چهار نوکلئوتید (A، C، G، T) با رنگ فلورسنت متفاوت است. ضبط و تجزیه و تحلیل تصویر: در طول سنتز، دستگاه تصاویری از سیگنال های فلورسنت ساطع شده با ترکیب هر نوکلئوتید می گیرد. سپس این سیگنال ها به داده های توالی ترجمه می شوند.

تحلیل داده ها

فراخوانی پایه: تصاویر و سیگنال های فلورسنت گرفته شده در طول توالی یابی به دنباله ای از پایگاه ها (A, C, G, T) تبدیل می شوند که فرآیندی به نام فراخوانی پایه شناخته می شود. ارزیابی کیفیت: به هر پایه یک امتیاز کیفیت اختصاص می‌یابد که نشان‌دهنده اطمینان در هر تماس پایه است. این نمرات کیفیت برای تجزیه و تحلیل و تفسیر داده های پایین دستی بسیار مهم هستند. تراز و مونتاژ: توالی‌های کوتاه، یا خوانده‌هایی که توسط توالی‌سنج ایجاد می‌شوند، سپس با ژنوم مرجع تراز می‌شوند یا de novo (بدون مرجع) برای بازسازی توالی اصلی جمع‌آوری می‌شوند. این مرحله برای شناسایی انواع ژنتیکی، درک تغییرات ژنومی ساختاری، و حاشیه نویسی عناصر عملکردی حیاتی است. فراخوانی و حاشیه نویسی متغیر: پس از تراز کردن، داده ها برای شناسایی تغییرات از توالی مرجع (در صورت استفاده) یا برای روشن ساختن ساختار و عملکرد ژنوم یا رونوشت توالی شده تجزیه و تحلیل می شوند. واریانت ها نامیده می شوند و سپس برای پیش بینی تأثیر آنها بر عملکرد ژن و پیوند آنها با شرایط یا فنوتیپ های ژنتیکی شناخته شده، حاشیه نویسی می شوند.

تکنیک‌های توالی‌یابی نسل جدید (NGS) و دستگاه‌های مختلف آن

توالی‌یابی نسل جدید (NGS) یک فناوری پیشرفته در زمینه تحلیل ژنوم است که انقلابی در تحقیقات ژنتیکی و پزشکی پدید آورده است. این فناوری امکان تعیین توالی DNA و RNA را به صورت سریع و با دقت بالا فراهم می‌کند. تکنیک‌های NGS در چندین نسل مختلف توسعه یافته‌اند که هر نسل دارای ویژگی‌ها و بهبودهای خاص خود است.

نسل اول دستگاه‌های شرکت Illumina

Genome Analyzer (GA) Series: این دستگاه‌ها اولین محصولات NGS ایلومینا بودند که در اوایل دهه 2000 معرفی شدند و پایه‌گذار فناوری‌های NGS مدرن شدند. HiSeq Series: این سری شامل مدل‌های HiSeq 2000، HiSeq 2500، HiSeq 3000 و HiSeq 4000 است که برای توالی‌یابی با توان و دقت بالا طراحی شده‌اند. MiSeq Series برای کاربردهای توالی‌یابی کوچک‌تر و اختصاصی مانند توالی‌یابی ژنومیک هدفمند و تحلیل نمونه‌های بالینی طراحی شده‌اند. NextSeq Series: این سری شامل مدل‌های NextSeq 500، NextSeq 550، NextSeq 1000 و NextSeq 2000 است که برای توالی‌یابی متوسط تا بزرگ با تعادل بین توان و هزینه مناسب هستند.

NovaSeq 5000 :NovaSeq Series و NovaSeq 6000 جدیدترین و پیشرفته‌ترین دستگاه‌های ایلومینا هستند که برای پروژه‌های توالی‌یابی با توان بسیار بالا طراحی شده‌اند. iSeq 100 :iSeq Series کوچکترین و اقتصادی‌ترین دستگاه توالی‌یابی ایلومینا است که برای آزمایشگاه‌های کوچک و کاربردهای تخصصی مناسب است. MiniSeq یک دستگاه توالی‌یابی جمع و جور و مقرون به صرفه که برای آزمایشگاه‌های کوچکتر و کاربردهای ساده‌تر طراحی شده است. پلتفرم های توالی یابی Illumina از جمله پرکاربردترین پلتفرم ها در زمینه ژنومیک هستند که به دلیل توان عملیاتی، دقت و مقیاس پذیری بالا شناخته می شوند. در اینجا نگاهی دقیق تر به این جنبه ها و برنامه هایی که آنها پشتیبانی می کنند آورده شده است:

امکانات و ویژگی ها

توان عملیاتی: دستگاه های Illumina سطوح مختلفی از توان را ارائه می‌دهند و نیازهای مختلف را برآورده می‌کنند. برای مثال، سری NovaSeq می‌تواند سالانه ده‌ها هزار نمونه را با میلیاردها مطالعه در هر اجرا پردازش کند که برای پروژه‌های ژنومی در مقیاس بزرگ مناسب است. در مقابل، پلتفرم‌های کوچک‌تر مانند MiSeq و MiniSeq برای نیازمندی‌های بازده پایین‌تر طراحی شده‌اند، اما همچنان کیفیت داده بالایی را حفظ می‌کنند. طول خوانش: بسته به مدل، پلتفرم‌های Illumina می‌توانند طول‌های خواندن از 50 جفت پایه (bp) تا 600 bp را ایجاد کنند. طول خواندن طولانی تر برای برنامه هایی که نیاز به نقشه برداری دقیق یا تجزیه و تحلیل مناطق ژنومی پیچیده دارند، مفید است. دقت: توالی Illumina به دلیل دقت بالای خود شناخته شده است، که معمولاً دقت تماس پایه بیش از 99.9٪ را ارائه می دهد. این وفاداری بالا برای تشخیص انواع ژنتیکی نادر و برای کاربردهایی که هر پایه مهم است، مانند تشخیص بالینی، بسیار مهم است. مقیاس پذیری: ماهیت ماژولار و انعطاف پذیر پلت فرم های توالی یابی Illumina به آزمایشگاه ها اجازه می دهد تا خروجی توالی خود را بر اساس نیازهای پروژه مقیاس کنند. ارتقاء و گزینه‌ها برای مدل‌های توان عملیاتی مختلف، این سیستم‌ها را با تقاضاهای تحقیقاتی در حال تکامل سازگار می‌سازد.

نسل دوم دستگاه های Ion Torrent (Thermo Fisher Scientific):

دستگاه‌های Ion Proton و Ion GeneStudio S5 به نسل دوم توالی‌یابی نسل جدید (NGS) تعلق دارند. این نسل از دستگاه‌ها با استفاده از تکنولوژی‌های پیشرفته توالی‌یابی، امکان تحلیل ژنتیکی دقیق و سریع را فراهم می‌کنند و در مقایسه با نسل اول، توان عملیاتی و دقت بالاتری دارند. دستگاه‌های Ion Proton و Ion GeneStudio S5 از Thermo Fisher Scientific نمونه‌های برجسته‌ای از تکنولوژی‌های توالی‌یابی نسل دوم هستند که با ارائه سرعت، دقت و انعطاف‌پذیری بالا، نیازهای مختلف تحقیقاتی و بالینی را پوشش می‌دهند. این دستگاه‌ها نقش مهمی در پیشرفت تحقیقات ژنتیکی و پزشکی دارند و به محققان کمک می‌کنند تا پروژه‌های بزرگ و پیچیده را با کارایی بیشتری انجام دهند.

بیشتر بخوانید:“آزمایش غیر تهاجمی دوران بارداری (NIPT): سفری انقلابی در آزمایش‌های دوران بارداری”

Ion GeneStudio S5, Ion Proton

پلتفرم‌های Thermo Fisher Scientific، مانند Ion GeneStudio S5 و Ion Proton، به‌خاطر فناوری منحصربه‌فرد توالی‌یابی نیمه‌رسانا، قابلیت‌های توالی‌یابی سریع و گزینه‌های توان عملیاتی انعطاف‌پذیر شناخته شده‌اند. امکانات شامل: فناوری توالی یابی نیمه هادی: برخلاف روش های تشخیص نوری که توسط سایر پلتفرم ها استفاده می شود، دستگاه های توالی یابی یونی Thermo Fisher از فناوری نیمه هادی استفاده می کنند. این رویکرد یون های هیدروژن آزاد شده در طول سنتز DNA را شناسایی می کند و اطلاعات شیمیایی را مستقیماً به داده های دیجیتالی ترجمه می کند. این روش امکان توالی یابی سریع و کاهش زمان اجرای کلی را فراهم می کند. سرعت: یکی از ویژگی های بارز سری Ion سرعت توالی یابی است. این پلتفرم‌ها می‌توانند کارها را تنها در چند ساعت انجام دهند، به طور قابل توجهی سریع‌تر از بسیاری از سیستم‌های NGS دیگر. این چرخش سریع به ویژه برای تنظیمات بالینی که زمان حیاتی است مفید است. انعطاف پذیری در خروجی: سری Ion GeneStudio S5 مقیاس پذیری با اندازه های مختلف تراشه را برای مطابقت با نیازهای پروژه ارائه می دهد و به آزمایشگاه ها اجازه می دهد ظرفیت توالی را بر اساس نیازهای توان خود تنظیم کنند. این انعطاف پذیری آن را برای طیف وسیعی از کاربردها، از پانل های هدف گرفته تا توالی یابی کل ژنوم، مناسب می کند.

مدل‌های موجود ion Genestudio S5

Ion GeneStudio S5 یکی از جدیدترین مدل‌های دستگاه‌های توالی‌یابی NGS است که توسط Thermo Fisher Scientific معرفی شده است. این دستگاه از خانواده Ion S5 است و به طور خاص برای توالی‌یابی ژنومیک انعطاف‌پذیر و مقیاس‌پذیر طراحی شده است.

• Ion GeneStudio S5
• Ion GeneStudio S5 Plus
• Ion GeneStudio S5 Prime

لینک دانلود مقاله

کلام آخر

به طور خلاصه، انتخاب یک دستگاه NGS باید بر اساس الزامات خاص پروژه، از جمله نیاز به توان عملیاتی، طول خواندن، دقت، محدودیت های بودجه و سهولت عملیاتی هدایت شود. هر پلتفرم نقاط قوت و ضعف خود را دارد و انتخاب بهینه بستگی به این دارد که چگونه این عوامل با اهداف و منابع تحقیق یا تلاش بالینی هماهنگ شوند و در راستای انتخاب دستگاه مناسب، باید از کارشناسان حرفه ای مشاوره گرفته شود، که در این راستا شرکت ماناتک می تواند جهت مشاوره و خرید، شما را صبورانه راهنمایی کند.