دستگاه سکانس Ion Proton

تاریخچه دستگاه سکانس پروتون (Ion Proton Sequencer) بازتابی از پیشرفت‌های سریع در تکنولوژی توالی‌یابی DNA و توسعه دستگاه‌های نسل جدید است. این دستگاه توسط شرکت Life Technologies توسعه یافت، که خود بخشی از تاریخچه‌ی پیچیده‌تر توالی‌یابی DNA است. در ادامه به تاریخچه این دستگاه و زمینه‌های توسعه آن می‌پردازیم:

پیشینه توالی‌یابی DNA

1. توالی‌یابی سنگر (Sanger Sequencing): اولین روش موفق برای تعیین توالی DNA توسط فردریک سنگر در دهه 1970 توسعه یافت. این روش که به نام “توالی‌یابی سنگر” شناخته می‌شود، انقلابی در علم ژنتیک ایجاد کرد، اما زمان‌بر و هزینه‌بر بود.
2. نسل جدید توالی‌یابی (Next-Generation Sequencing – NGS): با پیشرفت تکنولوژی در اوایل دهه 2000، روش‌های نسل جدید توالی‌یابی معرفی شدند. این روش‌ها قادر به تعیین توالی هزاران تا میلیون‌ها قطعه DNA به طور همزمان بودند و هزینه و زمان مورد نیاز برای توالی‌یابی را به طور قابل توجهی کاهش دادند.

توسعه Ion Torrent و دستگاه سکانس پروتون

1. تاسیس Ion Torrent: شرکت Ion Torrent توسط جاناتان روچ (Jonathan Rothberg) در سال 2007 تأسیس شد. این شرکت بر روی توسعه تکنولوژی‌های جدید برای توالی‌یابی DNA متمرکز بود.
2. معرفی تکنولوژی نیمه‌هادی: در سال 2010، Ion Torrent اولین دستگاه خود به نام Ion Personal Genome Machine (PGM) را معرفی کرد که از تکنولوژی حسگرهای نیمه‌هادی برای تعیین توالی DNA استفاده می‌کرد. این تکنولوژی از تغییرات pH برای شناسایی اضافه شدن نوکلئوتیدها به رشته DNA استفاده می‌کرد، که روش سریع‌تر و ارزان‌تری نسبت به روش‌های موجود بود.
3. تکمیل توسعه Ion Proton: در سال 2012، Ion Torrent دستگاه سکانس پروتون (Ion Proton Sequencer) را معرفی کرد. این دستگاه نسل جدیدی از دستگاه‌های توالی‌یابی بود که بر مبنای همان تکنولوژی نیمه‌هادی کار می‌کرد، اما توانایی تعیین توالی ژنوم‌های بزرگ مانند ژنوم انسان را داشت.

تحولات بعدی

1. ادغام با Life Technologies: در سال 2010، شرکت Life Technologies، Ion Torrent را خریداری کرد و تکنولوژی‌های آن را به مجموعه محصولات خود اضافه کرد.
2. توسعه بیشتر: تحت مالکیت Life Technologies و بعداً Thermo Fisher Scientific (که Life Technologies را در سال 2014 خریداری کرد)، تکنولوژی Ion Proton همچنان بهبود یافت و دستگاه‌های جدیدتر و پیشرفته‌تری بر پایه این تکنولوژی توسعه داده شدند.

تأثیرات و کاربردها

دستگاه سکانس پروتون با کاهش هزینه‌ها و افزایش سرعت و دقت توالی‌یابی، تأثیرات زیادی بر پژوهش‌های ژنتیکی، پزشکی و بیوتکنولوژی داشته است. این دستگاه به محققان این امکان را داده است که ژنوم‌های بزرگ را به سرعت تعیین توالی کنند و درک بهتری از ساختار ژنتیکی و بیماری‌های ژنتیکی داشته باشند.

دستگاه سکانس پروتون (Ion Proton Sequencer) یکی از دستگاه های پیشرفته در حوزه ژنومیک و تعیین توالی DNA است که توسط شرکت Life Technologies طراحی و تولید شده است. این دستگاه برای تعیین بزرگ توالی ژنوم‌های مانند ژنوم انسان، با سرعت و دقت بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ادامه، توضیحات کامل درباره این دستگاه و نحوه عملکرد آن ارائه می شود:

اصول کارکرد
دستگاه سکانس پروتون بر اساس فناوری “توالی‌یابی توسط سنتز” (Sequencing by Synthesis) و “حسگری نیمه‌هادی” (Semiconductor Sensing) کار می‌کند. این فناوری از مزیت‌های بسیار نسبت به روش‌های سنتی مانند Sanger Sequencing است، از جمله زمان و هزینه توالی‌یابی.

نحوه عملکرد
آماده سازی نمونه ها:
نمونه DNA ابتدا به قطعات کوچکتر شکسته شده و سپس به این قطعات آداپتورهایی متصل می‌شود. این آداپتورها به قطعات DNA اجازه می‌دهند که به بیدهای مغناطیسی (Magnetic Beads) متصل شوند.

امپلی‌فیکاسیون (تکثیر) DNA:
بیدهای مغناطیسی با قطعات DNA در داخل قطرات کوچک آب که درون روغن معلق هستند، تکثیر می‌شوند. این فرآیند به نام “امولسیون PCR” شناخته می‌شود و هدف آن ایجاد تعداد زیادی از کپی‌های هر قطعه DNA است.

بارگذاری در چیپ:
پس از تکثیر، بیدهای حاوی DNA درون چیپ نیمه‌هادی قرار می‌گیرند. این چیپ دارای میلیون‌ها چاهک است که هر یک دارای یک بید می‌باشد.

توالی یابی:
در این مرحله، نواحی کوچک DNA به ترتیب نوکلئوتیدها (A، T، C، G) تکثیر می‌شوند. زمانی که یک نوکلئوتید صحیح به رشته DNA مرتبط می‌شود، یک یون هیدروژن آزاد می‌شود. چیپ نیمه‌هادی تغییرات pH ناشی از آزاد شدن این یون‌ها را حس می‌کند و این تغییرات را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند.

تحلیل داده ها:
سیستم‌های الکتریکی تولید شده توسط چیپ نیمه‌هادی به نرم‌افزارهای پیشرفته تجزیه و تحلیل می‌شوند. این تصمیم‌ها به ترتیب نوکلیدهای اصلی می‌شوند که DNA را نشان می‌دهد.

مزایا

فناوری توالی‌یابی نیمه‌رسانا:

• بر خلاف روش‌های توالی‌یابی مبتنی بر نور سنتی، سیستم Ion Proton از فناوری توالی‌یابی نیمه‌رسانا استفاده می‌کند. این روش یون‌های هیدروژنی را که به عنوان فراورده جانبی پلیمریزاسیون DNA در طول توالی‌یابی آزاد می‌شوند، تشخیص می‌دهد. آزادسازی این یون‌ها منجر به تغییر pH می‌شود که توسط سنسور سیستم تشخیص داده می‌شود. این روش امکان تبدیل مستقیم اطلاعات شیمیایی به داده‌های دیجیتال را فراهم می‌کند، که نیاز به فلورسنت و اسکن نوری را که می‌تواند زمان‌بر باشد، حذف می‌کند.

سرعت و کارایی:

• سیستم Ion Proton برای قابلیت توالی‌یابی سریعش شناخته شده است و می‌تواند نتایج را در عرض یک روز ارائه دهد. این سرعت مزیت قابل توجهی نسبت به بسیاری از پلتفرم‌های دیگر NGS است که ممکن است چندین روز طول بکشد تا نتایج مشابهی تولید کنند. این کارایی سیستم Ion Proton را برای تنظیمات بالینی و تحقیقاتی که در آن زمان عامل مهمی است، ایده‌آل می‌کند.

اجزای سیستم:

• سیستم شامل چندین جزء کلیدی است، از جمله Ion Proton Sequencer، فناوری Ion Chip (تراشه‌های نیمه‌رسانا یکبار مصرف)، و نرم‌افزار Ion Torrent Suite برای تجزیه و تحلیل داده‌ها. تراشه‌های استفاده شده در این سیستم در ظرفیت‌های مختلف موجود هستند که انعطاف‌پذیری در مقیاس و کارایی توالی‌یابی را فراهم می‌کنند.

کاربردها:

• این سیستم برای کاربردهای متنوعی از جمله ژنومیک سرطان، تجزیه و تحلیل اختلالات ژنتیکی، ژنومیک میکروبی مناسب است. سیستم به ویژه در تحقیقات انکولوژی برای پروفایل تومور و در تحقیقات بالینی برای شناسایی جهش‌های ژنتیکی مفید است.

سادگی فرآیند کار:

• فرآیند کار سیستم Ion Proton برای سادگی و کارایی بهینه‌سازی شده است. این فرآیند شامل آماده‌سازی کتابخانه، آماده‌سازی قالب، توالی‌یابی و تجزیه و تحلیل داده‌ها است. گام‌های ساده‌سازی شده آماده‌سازی کتابخانه و قالب‌سازی به سرعت و کاربرپسندی کلی سیستم کمک می‌کنند.

تجزیه و تحلیل داده‌ها و مدیریت:

• نرم‌افزار Ion Torrent Suite، جزء ضروری سیستم Ion Proton، تسهیل‌کننده تحلیل اولیه و ثانویه داده‌های توالی‌یابی است. همچنین امکان ذخیره‌سازی و به اشتراک‌گذاری داده‌ها مبتنی بر ابر را فراهم می‌کند که برای مدیریت مجموعه‌های بزرگ داده تولید شده توسط پلتفرم‌های NGS حیاتی است.

صرفه‌جویی در هزینه ها:

• صرفه‌جویی در هزینه سیستم، به ویژه برای پروژه‌های با پیچیدگی متوسط تا بالا قابل توجه است. این سیستم گزینه‌ای دسترس‌تر برای آزمایشگاه‌های مختلف ارائه می‌دهد و مانع مالی برای توالی‌یابی با کارایی بالا را کاهش می‌دهد.

قابلیت ارتقاء:

• قابلیت ارتقاء سیستم Ion Proton یکی از ویژگی‌های کلیدی آن است و به آزمایشگاه‌ها امکان می‌دهد تا ظرفیت توالی‌یابی خود را بر اساس نیازها و بودجه فعلی خود تنظیم کنند. این انعطاف‌پذیری برای آزمایشگاه‌هایی با نیازهای متغیر توالی‌یابی مفید است.

دستگاه سکانس پروتون (Ion Proton Sequencer) با قابلیت‌های پیشرفته‌ای که در توالی‌یابی DNA ارائه می‌دهد، کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف علمی و پزشکی دارد. امروزه از این دستگاه برای تشخیص و پژوهش‌های مختلف استفاده می‌شود. در ادامه به برخی از کاربردهای اصلی این دستگاه در آزمایشگاه‌ها و تحقیقات می‌پردازیم:

دانلود کاتالوگ این محصول

کاربردهای پزشکی

1. تشخیص بیماری‌های ژنتیکی: دستگاه سکانس پروتون به پزشکان کمک می‌کند تا بیماری‌های ژنتیکی را با دقت بالا تشخیص دهند. با تعیین توالی ژنوم بیمار، می‌توان جهش‌های ژنتیکی مرتبط با بیماری‌ها را شناسایی کرد و تشخیص‌های دقیق‌تری ارائه داد.
2. تومورشناسی و سرطان‌شناسی: در حوزه سرطان، این دستگاه برای تحلیل ژنوم تومورها و شناسایی جهش‌های مرتبط با سرطان استفاده می‌شود. این اطلاعات می‌توانند در تعیین بهترین راهکارهای درمانی و پیش‌بینی پاسخ بیمار به درمان‌های خاص کمک کنند.
3. پزشکی شخصی‌سازی شده: با استفاده از داده‌های ژنومیک، می‌توان درمان‌های پزشکی را برای هر فرد به طور خاص شخصی‌سازی کرد. این رویکرد به پزشکان امکان می‌دهد تا درمان‌هایی را بر اساس ویژگی‌های ژنتیکی منحصر به فرد هر بیمار طراحی کنند.

کاربردهای تحقیقاتی

1. مطالعات ژنومیک: دستگاه سکانس پروتون برای تعیین توالی کامل ژنوم موجودات مختلف استفاده می‌شود. این اطلاعات برای تحقیقات پایه‌ای در زمینه ژنتیک و زیست‌شناسی مولکولی بسیار ارزشمند است.
2. پژوهش‌های تکاملی: با تحلیل ژنوم گونه‌های مختلف، می‌توان روابط تکاملی بین آن‌ها را بررسی کرد و درک بهتری از فرآیندهای تکاملی به دست آورد.
3. تحقیقات بیماری‌های عفونی: این دستگاه در تشخیص و ردیابی بیماری‌های عفونی مانند ویروس‌ها و باکتری‌ها نقش مهمی دارد. با تعیین توالی ژنوم پاتوژن‌ها، می‌توان مسیرهای انتشار و تکامل آن‌ها را بررسی کرد و راهکارهای بهتری برای کنترل و پیشگیری از بیماری‌ها یافت.

کاربردهای بیوتکنولوژی

1. مهندسی ژنتیک: در بیوتکنولوژی، دستگاه سکانس پروتون برای تعیین توالی ژنوم موجودات مهندسی‌شده استفاده می‌شود. این اطلاعات به محققان کمک می‌کند تا تغییرات ژنتیکی مورد نظر را بررسی و اصلاح کنند.
2. توسعه داروهای جدید: با تعیین توالی ژنوم و شناسایی هدف‌های مولکولی، می‌توان داروهای جدید و موثرتری توسعه داد. این دستگاه در فرآیند کشف داروها و بررسی اثرات آن‌ها نقش مهمی ایفا می‌کند.

کاربردهای کلینیکی و تشخیصی

1. تشخیص پیش از تولد: با استفاده از دستگاه سکانس پروتون، می‌توان ناهنجاری‌های ژنتیکی را در مراحل اولیه بارداری تشخیص داد و اقدامات لازم را انجام داد.
2. تشخیص بیماری‌های نادر: این دستگاه می‌تواند برای تشخیص بیماری‌های نادری که ممکن است علائم آن‌ها ناشناخته یا پیچیده باشد، استفاده شود. تشخیص دقیق و سریع این بیماری‌ها می‌تواند به بهبود درمان‌ها و مدیریت بهتر بیماری‌ها کمک کند.

عکس ارائه شده، اجزای مختلف دستگاه توالی‌یابی Ion Proton و موقعیت‌های معرف‌های (reagents) استفاده شده در این دستگاه را نشان می‌دهد. در زیر توضیحات مربوط به هر بخش آمده است:

اجزای دستگاه توالی‌یابی Ion Proton

1. محفظه معرف‌ها (Reagent compartment):
   • این بخش شامل تمامی معرف‌های لازم برای توالی‌یابی با دستگاه Ion Proton است.
2. گیره چیپ (Chip clamp):
   • این گیره، چیپ Ion PI Chip v3 را در طول فرآیند توالی‌یابی محکم نگه می‌دارد.
3. صفحه لمسی (Touchscreen):
   • این صفحه لمسی به کاربر اجازه می‌دهد تا به تمامی عملکردهای دستگاه شامل عملیات، نگهداری و رفع اشکال دسترسی داشته باشد.
4. دکمه پاور (Power button):
   • این دکمه برای روشن و خاموش کردن دستگاه توالی‌یاب استفاده می‌شود و وضعیت‌های روشن (illuminated) و خاموش (off) را نشان می‌دهد.
5. پورت گاز (Gas port):
   • این پورت فشار کم، گاز نیتروژن فشرده شده را به دستگاه تأمین می‌کند.
6. پورت اترنت (Ethernet port):
   • یک پورت RJ45 که ارتباط اترنت (100 مگابیت) با دستگاه توالی‌یاب را فراهم می‌کند.
7. پورت USB (USB port):
   • یک پورت USB که برای ارتباط سریال با دستگاه توالی‌یاب در طول خدمات و نگهداری استفاده می‌شود.
8. پورت برق (Power port):
   • یک پورت 100-240 ولت AC که برق دستگاه را تأمین می‌کند.

موقعیت معرف‌های دستگاه توالی‌یابی Ion Proton

1. محلول شستشوی 1 (Wash 1 Solution [W1]):
2. محلول شستشوی 2 (Wash 2 Solution [W2]):
3. محلول شستشوی 3 (Wash 3 Solution [W3]):
4. محلول تمیزکننده 1 (Clean 1 Solution [C1]):
5. محلول تمیزکننده 2 (Clean 2 Solution [C2]):
6. محلول dGTP (dGTP Solution [R1]):
7. محلول dCTP (dCTP Solution [R2]):
8. محلول dTTP (dTTP Solution [R3]):
9. محلول dATP (dATP Solution [R4]):
10. مخزن زباله (Waste Container):

این محلول‌ها و معرف‌ها در طول فرآیند توالی‌یابی و تمیز کردن دستگاه استفاده می‌شوند. هر یک از این محلول‌ها نقش خاصی در آماده‌سازی، شستشو و نگهداری دستگاه ایفا می‌کنند.

راهنمایی‌ها برای دستکاری و قرار دادن چیپ‌ها

اقدامات احتیاطی
برای جلوگیری از آسیب احتمالی به چیپ به دلیل تخلیه الکتروستاتیک (ESD):
قبل از برداشتن یا قرار دادن چیپ روی سطحی مانند میز آزمایشگاه، خود را تخلیه الکتروستاتیک کنید. به عنوان مثال، قبل از قرار دادن یا برداشتن چیپ از گیره چیپ، به نوار فلزی در محفظه چیپ دست بزنید.
هنگام دستکاری چیپ‌ها:
به عنوان یک بهترین عملکرد، از دست خالی برای لمس سطح تخلیه الکتروستاتیک استفاده کنید و سپس از دست دیگر برای قرار دادن و برداشتن چیپ‌ها از گیره چیپ استفاده کنید.
قرار دادن چیپ در گیره چیپ
رویه زیر در نقاط مختلف در طول تمیز کردن، راه‌اندازی و توالی‌یابی برای قرار دادن چیپ‌ها در گیره چیپ استفاده می‌شود:

کشیدن زبانه فلزی به جلو برای آزاد کردن گیره چیپ

زبانه فلزی را به جلو بکشید تا گیره چیپ آزاد شود.
در صورت لزوم، برداشتن چیپ موجود در گیره

اگر چیپ قبلی هنوز در گیره قرار دارد، آن را بردارید.
توضیحات تصویری
تصاویر به ترتیب نشان می‌دهند که چگونه زبانه فلزی را برای آزاد کردن گیره چیپ بکشید و در صورت لزوم چیپ قبلی را از گیره خارج کنید.

این راهنما به کاربر کمک می‌کند تا به درستی و بدون آسیب به چیپ، چیپ را در دستگاه قرار دهد یا از آن خارج کند. رعایت این نکات به جلوگیری از آسیب‌های احتمالی به چیپ و دستگاه کمک می‌کند.

برنامه تمیزکاری

برنامه تمیزکاری را با آب 18 MΩ یا محلول کلریت قبل از هر راه‌اندازی و طبق جدول زیر اجرا کنید. تمیزکاری حدود 30 دقیقه زمان می‌برد.

تمیزکاری با آب 18 MΩ:

• قبل از هر راه‌اندازی.
• (توصیه شده) بعد از آخرین اجرای روز در صورتی که دستگاه تا 72 ساعت بعد استفاده نمی‌شود (برای مثال، تمیز کردن بعد از آخرین اجرای روز قبل از تعطیلات آخر هفته 3 روزه).
• قبل از خاموش کردن دستگاه برای مدت طولانی.

تمیزکاری با محلول کلریت:

• یک بار در هفته (مگر اینکه دستگاه از زمان آخرین تمیزکاری کلریت استفاده نشده باشد، در این صورت، با آب 18 MΩ قبل از استفاده تمیز کنید).
• اگر معرف‌ها برای بیش از 48 ساعت روی دستگاه مانده‌اند (برای مثال، در طول آخر هفته).

تمیزکاری با آب 18 MΩ

مهم! برای مراحل زیر، از آب 18 MΩ که مستقیماً از سیستم تصفیه آمده است استفاده کنید. از آبی که جمع‌آوری یا در ظروف دیگر ذخیره شده است، استفاده نکنید.

1. روی صفحه لمسی دستگاه Ion Proton™، گزینه Clean را انتخاب کنید، سپس دستورالعمل‌های نمایش داده شده را برای انجام فرآیند تمیزکاری دنبال کنید.
2. وقتی خواسته شد، چیپ تمیزکاری را با شکاف در گوشه پایین-جلوی آن بردارید، چیپ را در گیره چیپ قرار دهید، سپس زبانه فلزی را به عقب فشار دهید تا گیره قفل شود.
   • توجه: چیپ را به زور در گیره قرار ندهید. اگر چیپ به راحتی در گیره قرار نمی‌گیرد، مطمئن شوید که شکاف به درستی جهت‌یابی شده است. برای دستورالعمل‌های دقیق‌تر، به بخش “قرار دادن چیپ در گیره چیپ” در صفحه 15 مراجعه کنید.
3. وقتی خواسته شد، لوله‌های معرف و بطری شستشو 2 را بردارید:
   • همه هشت لوله معرف 140 میلی‌لیتری را بردارید و دور بیندازید.
   • توجه: در صورت نیاز، می‌توانید از همان لوله‌های معرف C1 و C2 برای تمیزکاری‌های متعدد تا یک هفته استفاده کنید. اگر از لوله‌های معرف C1 و C2 دوباره استفاده می‌کنید، مطمئن شوید که لوله‌ها به درستی برچسب‌گذاری شده‌اند و هنگام نصب نشده‌اند.

دانلود کاتالوگ این محصول

برای اطلاعات بیشتر از این دستگاه به مقاله زیر توجه کنید:

نگاه کلی:

علاوه بر کاربردهای تحقیقاتی، سیستم Ion Proton در محیط‌های بالینی نیز پیشرفت‌های قابل توجهی داشته است. این سیستم برای تحقیقات بالینی استفاده می‌شود و در برخی موارد، برای اهداف تشخیصی تحت استانداردهای قانونی خاص به کار می‌رود. به طور خلاصه، سیستم Ion Proton یک پلتفرم NGS قدرتمند و چندمنظوره است که نیاز به توالی‌یابی سریع، کارآمد و مقرون‌به‌صرفه را برآورده می‌کند. فناوری توالی‌یابی نیمه‌رسانای آن، سرعت بالای پردازش و قابلیت انطباق‌پذیری آن را به ابزاری ارزشمند در هر دو زمینه تحقیقاتی و بالینی تبدیل کرده است. با ما در شرکت ماناتک در تماس باشید.