Giải trình tự gen mang đến hiệu quả đột phá trong công nghệ di truyền phức tạp với ưu điểm vượt trội về thời gian, tính chính xác và chi phí
Phương pháp giải trình tự ra đời tạo nên cuộc cách mạng trong lĩnh vực y học. Nó giúp chẩn đoán và điều trị bệnh hiệu quả với chi phí thấp hơn. Nhờ vào sự phát triển của công nghệ giải mã gen, người bệnh hiện nay có cơ hội lớn hơn để tiếp cận các phương pháp điều trị tiên tiến. Điều này đồng nghĩa với việc mở ra những triển vọng tươi sáng hơn trong việc cải thiện sức khỏe và chất lượng cuộc sống.
Nội dung
1. Giải trình tự gen là gì?
Giải trình tự gen là quá trình xác định thứ tự các khối cấu tạo hoá học bazơ (A, T, C, G) tạo nên phân tử DNA. Nhà khoa học biết được trong 1 đoạn DNA cụ thể có mang thông tin di truyền nào hay không. Đây là các thông tin cần để lắp ráp các phân tử protein và RNA. Ngoài ra, các dữ liệu giải trình tự gen còn hỗ trợ phát hiện những thay đổi gây bệnh. Bởi vậy, giải trình tự DNA đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu chức năng gen.
Trong chuỗi xoắn kép DNA, 4 gốc hoá học liên kết với cùng một đối tác tạo cặp bazơ. Cụ thể, adenine (A) bắt cặp với thymine (T). Còn cytosine (C) bắt cặp với guanin (G). Sự liên kết này chính là nền tảng để các phân tử DNA sao chép khi phân chia tế bào. Đây cũng là cơ sở thực hiện phương pháp giải trình gen. Bộ gen có chứa khoảng 3 tỷ cặp bazơ hỗ trợ cấu tạo và duy trì cơ thể.
Một số phương pháp giải trình gen phổ biến hiện nay:
- Phương pháp giải trình tự gen theo phương pháp hóa học (phương pháp Maxam – Gilbert)
- Phương pháp giải trình bằng enzyme hay phương pháp Dideoxy (phương pháp Sanger)
2. Mục đích của giải trình tự GEN
- Xây dựng bản đồ nhiễm sắc thể, tích lũy thông tin về cấu trúc, chức năng, hoạt động các đoạn ADN; định danh loài,…
- Xác định các gen làm rối loạn di truyền. Cụ thể là phân tích các đột biến gen và gen lạ gây bệnh. Điều này rất quan trọng trong việc hỗ trợ nhà nghiên cứu dự đoán các hội chứng phát sinh, nguyên nhân và phương pháp điều trị kịp thời bằng giải trình tự gen phù hợp.
- Xác minh huyết thống, nhận dạng cá nhân, điều tra tội phạm dựa trên dấu vân tay phân tử.
- Hỗ trợ xác định các loại GMO nhờ dễ dàng phát hiện biến thể nhỏ trong bộ gen thực vật với sự trợ giúp của phân tích giải trình tự gen.
- Mã hóa các thông tin cần thiết giúp cơ thể sống tồn tại và tái sản sinh. Đây là nền tảng quan trọng trong các nghiên cứu sinh học và ứng dụng. Chẳng hạn ứng dụng y khoa trong xác định, chẩn đoán và phát triển các phương pháp điều trị bệnh về di truyền học. Ngoài ra, các nghiên cứu về pathogens hỗ trợ điều trị các bệnh lây nhiễm (contagious diseases).
- Tìm ra đặc điểm di truyền của từng người dựa trên trình tự của một gen cụ thể trong cơ thể hoặc toàn bộ hệ gen.
3. Ý nghĩa cải tiến với sức khỏe con người
Cải tiến trong giải trình tự gen giúp nhà nghiên cứu so sánh các đoạn DNA lớn trên 1 triệu bazơ. Quá trình diễn ra nhanh chóng với chi phí thấp. Nó mang lại lượng lớn thông tin nhạy cảm của cơ thể với bệnh tật và phản ứng môi trường. Cải tiến này đem lại tiềm năng lớn trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Hiện nay, một số cơ sở uy tín đã sử dụng phương pháp này trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Đặc biệt là với bệnh ung thư. Ngoài ra, phương pháp này còn được áp dụng nhằm xác định nguyên nhân di truyền của 1 số căn bệnh hiếm gặp. Điển hình là ứng dụng giải trình tự gen trong sàng lọc trẻ sơ sinh, bệnh tật và nguy cơ mắc.
Chưa kể, dự án “Bản đồ bộ gen ung thư”, được hỗ trợ bởi NHGRI và Viện Ung thư Quốc gia đang sử dụng phương pháp này để phân tích chi tiết bộ gen của khoảng 30 loại ung thư. Bên cạnh đó, cũng có rất nhiều dự án quy mô lớn áp dụng trình tự gen trong kiểm tra sự phát triển của các bệnh. Từ thông thường đến phức tạp như bệnh tim, tiểu đường, dị tật, chậm phát triển,…
4. Các thế hệ công nghệ giải trình tự gen
Năm 1953, cấu trúc xoắn kép của ADN lần đầu được công bố. Bước tiến vượt bậc này thúc đẩy các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu công nghệ giải trình tự gen. Đến nay, con người đã khám phá và nâng cấp công nghệ giải trình tự gen thế hệ thứ 3.
4.1 Giải trình tự thế hệ thứ nhất – Sanger
Phương pháp giải trình tự gen đầu tiên là Sanger. Nó được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của Frederick Sanger năm 1977. Đến năm 1980, phương pháp gốc của Sanger được tự động hóa và thương mại hóa bởi Applied Biosystems.
4 ống nghiệm chứa 4 loại ddNTP được đánh dấu đồng vị phóng xạ thực hiện phản ứng tổng hợp. Sản phẩm của chúng được điện di hiện hình đồng vị phóng xạ trên cùng một bản gel để quan sát các band DNA. Sau đó, dựa trên vị trí quan sát được để xác định trình tự các nucleotide theo chiều từ 5 – 3 từ dưới lên. Hiện nay, máy giải trình tự động được sử dụng để sắp xếp trình tự các band điện di. Công nghệ giải trình Sanger tự động vẫn được sử dụng. Tuy nhiên, nó chỉ được ứng dụng ở những nơi chấp nhận tỷ lệ sản phẩm thấp, chi phí cao hơn mỗi mẫu và đọc chuỗi dài từ 500 – 1.000 bp.
Xem thêm:
- Đột biến gen là gì? Ý nghĩa và ứng dụng trong cuộc sống
- Gen di truyền- Nguyên lý hoạt động và ứng dụng xét nghiệm
4.2 Giải trình tự thế hệ thứ hai (NGS)
Illumina, sau khi mua lại công ty Solexa, đã đạt được sự tiến bộ đáng kể trong công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới (NGS). Điểm quan trọng của công nghệ này là “bridge amplification,” cho phép tạo ra các cụm dày đặc trên một chip silicon. Quá trình giải trình tự dựa trên nguyên lý tổng hợp (SBS), khuếch đại từ phân tử ban đầu thành một cụm lớn, đủ để phát hiện tín hiệu huỳnh quang khi thêm dNTP. Theo thời gian, số lượng cụm có thể đọc tăng mạnh, thiết bị của Illumina hỗ trợ giải trình tự song song số lượng lớn thành công thương mại hóa. Sức chứa cực đại cho phép giải trình tự với chi phí thấp dù giới hạn về độ dài đọc (50-500 bp).
Illumina đã giới thiệu dòng máy NovaSeq™ X (NovaSeq X và NovaSeq X Plus), nâng cao tốc độ và hiệu suất trong quá trình giải trình tự gen. Công nghệ mới này có khả năng giải trình tự hơn 20.000 bộ gen mỗi năm, thúc đẩy quá trình khám phá gen và y học lâm sàng một cách đáng kể. NovaSeq X có kích thước nhỏ gọn, nhanh gấp đôi so với phiên bản trước đó và cho phép phân tích nhiều mẫu trong 24 giờ. Đây cũng là lựa chọn lý tưởng cho các dự án quy mô lớn trong phòng chống dịch bệnh.
4.3 Trình tự thế hệ thứ ba
Có nhiều phương pháp giải trình tự gen, và việc chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào dự án cụ thể. Kỹ thuật SMRT (Single-molecule real-time sequencing) của PacBio cho phép quan sát tín hiệu huỳnh quang đơn phân tử trong một lỗ kích thước nano.
Oxford Nanopore Technologies (ONT) đã phát triển một phương pháp khác dựa trên tín hiệu điện phân tử, có thể giải trình tự RNA và DNA với lượng đọc dữ liệu lớn. Illumina cũng đã giới thiệu thiết bị Novaseq, tạo ra đầu ra lớn đến 3000 Gb trên mỗi lần chạy. Các thiết bị đọc dữ liệu dài của Illumina đang được phát triển để cung cấp sự linh hoạt và giảm chi phí giải trình tự gen.
5. Các phương pháp giải trình tự phổ biến hiện nay
Khoa học phát triển kéo theo đa dạng phương pháp giải trình tự gen khác nhau. Dưới đây là một số phương pháp phổ biến hiện nay:
5.1 Phương pháp Hóa học
Phương pháp hóa học được sử dụng phổ biến để giải trình tự một đoạn gen. Trên nguyên tắc lựa chọn một đoạn gen. Các nhà khoa học sẽ thực hiện phương pháp và chất xúc tác hóa học để biến đổi base của nucleotide. Sau khi được biến đổi, chúng được tách ra khỏi DNA. Cuối cùng, điện di mẫu DNA theo phương pháp hóa học giúp xác định trình tự gen chính xác. Phương pháp này phức tạp, nghiêm ngặt và đòi hỏi lượng lớn hóa chất để đưa ra kết quả chính xác.
5.2 Phương pháp Enzyme
Phương pháp enzyme này đơn giản hơn phương pháp hóa học. Chỉ cần chèn đoạn gen muốn xác định vào đúng vị trí. Sau đó, nhân bản vector thành nhiều bản sao và tách chúng thành vector tự do. Sử dụng các ống phản ứng gen với nucleotide và điện di để nắm bắt trình tự DNA. Quá trình này cho ra kết quả trình tự gen chính xác. Đơn giản, nhanh chóng, chính xác giúp phương pháp này được sử dụng phổ biến nhất trong giải trình tự gen.
5.3 Phương pháp sử dụng máy tự động
Sử dụng máy tự động là phương pháp giải trình tự gen phổ biến. Phương pháp này sử dụng các ống phản ứng. Mạch DNA được sản sinh trong ống khi được đánh dấu huỳnh quang vào máy tự động để thực hiện điện di. Tia laze chiếu qua cách điện và phát sáng được đo bởi máy tự động. Sau đó, tiến hành so dòng và phân tích trình tự gen. Kết quả được cho ra nhanh chóng và chính xác.
6. Một số ứng dụng phổ biến trong y học hiện nay
Giải trình tự gen được ứng dụng trong đa dạng lĩnh vực của cuộc sống, đặc biệt là y học. Cùng BCC tìm hiểu ngay.
6.1 Chẩn đoán sớm ung thư
Phương pháp giải trình tự gen giúp phát hiện sớm ung thư. Đó là nhờ hiệu quả xác định được DNA bất thường trong cơ thể. Điều này giúp bác sĩ dễ dàng chẩn đoán chính xác và nhanh chóng, ngay cả các dấu hiệu tế bào ung thư. Từ đó, đưa ra phương pháp điều trị hiệu quả và đảm bảo sức khỏe. Một số đột biến gen dễ dẫn đến ung thư được phát hiện như MGMT, UGT1A1, IDH1 hay KRAS. Với các phương pháp giải trình tự DNA với độ chính xác cao, các đột biến gen này được phát hiện kịp thời.
6.2 Chẩn đoán các bệnh về não bộ và thần kinh
Giải trình tự gen hỗ trợ phát triển nhiều gen đột biến. Đây là nguyên nhân dẫn đến các bệnh về thần kinh và não bộ như APP, PSEN1 hay PSEN2. Một số bệnh liên quan phải kể đến như Alzheimer hay các khối u thần kinh đệm. Việc sử dụng các phương pháp giải trình tự gen giúp người bệnh được phát hiện sớm và điều trị đúng cách.
6.3 Chẩn đoán bệnh di truyền hiệu quả
Tình trạng rối loạn trong di truyền gen dẫn đến nhiều căn bệnh nguy hiểm đến sức khỏe. Một số bệnh di truyền thường gặp về não bộ, đột quỵ hay động kinh có thể do đột biến gen G3460A, T14484C hay G11778A,… Phương pháp giải trình gen đạt hiệu quả cao trong xác định đột biến gen. Việc phát hiện đột biến và xác định rõ nguyên nhân giúp bác sĩ chẩn đoán và đưa ra phác đồ điều trị chính xác.
Ngoài ra, xét nghiệm chẩn đoán và sàng lọc di truyền trong lĩnh vực thai sản. Hoặc chẩn đoán bệnh di truyền cho bệnh nhi. Tất cả đã trở thành tiêu chuẩn xét nghiệm thế giới. Điều này đã khẳng định mức độ chính xác gần như tối đa mà phương pháp này mang lại.
6.4 Xác định trường hợp nhiễm virus, nấm và vi khuẩn
Giải trình tự gen giúp phát hiện tình trạng nhiễm virus, vi khuẩn và nấm. Bởi bác sĩ có thể xác định được bất thường trong trình tự gen cơ thể. Một số virus được phát hiện thông qua trình tự gen như viêm gan B, C, ký sinh trùng hay sốt rét. Việc phát hiện sớm giúp người bệnh dễ dàng được điều trị và phục hồi sức khỏe kịp thời.
6.5 Xác định kháng nguyên bạch cầu
Kháng nguyên bạch cầu có thể được phát hiện bằng giải trình tự gen. Cụ thể là gen của hai nhóm phổ biến: HLA loại 1 và loại 2. Tình trạng đột biến kháng nguyên dẫn đến nhiều căn bệnh khác nhau. Đặc biệt, kháng nguyên HLA còn tạo hệ miễn dịch cho cơ thể. Kháng nguyên này xảy ra vấn đề khiến cơ thể bị suy nhược. Điều này khiến vi khuẩn, virus và các khối u tàn phá cơ thể.
7. Giải trình tự gen thế hệ mới
7.1 Khái niệm Giải trình tự gen thế hệ mới (NGS)
Giải trình tự gen thế hệ mới NGS cho phép giải trình tự đồng thời hàng triệu đoạn DNA chỉ một lần chạy. Công nghệ kỹ thuật hiện đại này giúp đưa ra nhanh chóng và chính xác cấu trúc DNA. NGS hoạt động trên nguyên tắc giải trình tự song song. Với phương pháp này, NGS cung cấp lượng dữ liệu lớn với độ phân giải cao. Từ đó, cho phép phân tích bộ gen và hệ phiên mã phức tạp nhất. So với các phương pháp giải trình tự truyền thống, NGS cho ra kết quả nhanh và tiết kiệm chi phí hơn. Chẳng hạn NGS hỗ trợ giải trình toàn bộ genome chỉ trong vài ngày.
7.2 Lịch sử ra đời
Sau khi hoàn thành “Dự án bộ gen người”, công nghệ và tự động hóa đã phát triển mạnh mẽ. Điều này làm tăng tốc độ giải trình tự và giảm chi phí. Hiện nay, các phòng thí nghiệm có khả năng giải trình tự hơn 100.000 tỷ bazơ mỗi năm với chỉ vài nghìn đô la. Điều này đạt được nhờ sự hỗ trợ của Viện nghiên cứu hệ gen người quốc gia (NHGRI) và công nghệ giải trình tự DNA tiên tiến. NHGRI cũng đặt mục tiêu phát triển các công nghệ giải trình tự gen mới với chi phí dưới 1.000 đô la.
Có hai phương pháp giải trình tự gen thế hệ mới được phát triển. Phương pháp đầu tiên sử dụng máy quay phim và kính hiển vi để quan sát DNA polymerase khi chúng sao chép DNA. Đồng thời, kết hợp với nhuộm sáng để phân biệt các chữ cái A, T, C và G. Phương pháp này mang đến nhiều thông tin giá trị hơn so với các phương pháp truyền thống. Phương pháp thứ hai yêu cầu sử dụng các lỗ nano để giải trình tự gen. DNA được đọc thông qua các lỗ nano, với các bazơ được xác định bằng cách đo lường ảnh hưởng của chúng đối với các ion và dòng điện chạy qua lỗ.
Sự sử dụng lỗ nano mang lại nhiều lợi ích tiềm năng, bao gồm giá thấp hơn, tốc độ nhanh hơn và khả năng nghiên cứu lặp lại với cùng một phân tử DNA.
7.3 Quy trình giải trình tự gen thế hệ mới
Quy trình thực hiện kỹ thuật NGS bao gồm một số bước sau:
- Tách chiết mẫu bệnh phẩm: NGS được thực hiện trên bất kỳ mẫu nền DNA hoặc RNA. Chẳng hạn như mẫu nuôi cấy tế bào, tế bào đông lạnh, xử lý bằng formalin-paraffin (FFPE), máu,…
- Chuẩn bị thư viện: Đoạn DNA được nhân bản và phân thành mảnh nhỏ. Sau đó, chúng được gắn với các adapters đặc hiệu và nhân bản tạo thư viện DNA (DNA libraries). Sau đó, chúng được giải trình tự bằng phương pháp NGS.
- Giải trình tự: Hệ thống đọc/giải trình tự các đoạn ngắn. Sau đó, đối chiếu theo bộ gen hoặc hệ phiên mã tham chiếu.
- Phân tích dữ liệu: Công cụ tin sinh học hỗ trợ phân tích dữ liệu. Từ đó, mang lại những thông tin giá trị như biến thể di truyền, mức độ biểu hiện gen và chỉnh sửa ngoại gene (epigenetic).
Xem thêm:
- Công nghệ Gen: Kỹ thuật mũi nhọn cho mọi đột phá
- Biểu hiện gen – Đột phá trong công nghệ nghiên cứu gen
7.4 Nền tảng giải trình
Mỗi nền tảng giải trình tự gen thế hệ mới có ưu điểm và hạn chế riêng. Một số nền tảng NGS được sử dụng phổ biến như: Illumina, Ion Torrent và Pacific Bioscatics. Trong đó, Illumina được sử dụng phổ biến nhất với thông lượng cao và chi phí thấp. Ion Torrent sử dụng chip bán dẫn đếm proton (ion H+) xác định trình tự nucleotide trong DNA, Nó được thực hiện nhờ phát hiện tín hiệu điện do ion H+ giải phóng trong quá trình tổng hợp DNA bằng máy đo pH siêu nhỏ gắn chip cảm ứng bán dẫn. Pacific Biosciences hỗ trợ trình tự đọc dài, hữu ích trong nghiên cứu hệ gen phức tạp.
7.5 Ưu điểm của phương pháp giải trình tự gen thế hệ mới
Phương pháp giải trình tự gen thế hệ mới mang đến bước tiến lớn trong y học. Điển hình là sử dụng trong chẩn đoán, điều trị và nâng cao sức khỏe với chi phí rẻ, hiệu quả cao. Điểm tên ngay những ưu điểm vượt trội của phương pháp NGS.
-
Xét nghiệm không xâm lấn
Công nghệ giải trình tự gen được ứng dụng hiệu quả trong thăm khám, chẩn đoán, tầm soát và điều trị bệnh. Trước đây, bệnh nhân cần thực hiện rất nhiều xét nghiệm. Chẳng hạn như chọc nước ối của bào thai để chẩn đoán trước sinh, xét nghiệm máu,… Tuy nhiên, nó lại gây đau đớn, nguy hiểm và mệt mỏi. Với phương pháp này, các thai phụ có thể làm chẩn đoán trước sinh nhanh chóng và chính xác. Chưa kê,r các bệnh di truyền cũng nhanh chóng được phát hiện. Nhờ đó, có thể kéo dài thời gian sống và hiệu quả điều trị.
-
Đảm bảo tính toàn diện
Phương pháp giải trình tự gen thế hệ mới ra đời giúp giải mã bộ gen phức tạp. Đặc biệt là của con người. Việc chẩn đoán và điều trị kịp thời giúp cải thiện sức khỏe con người tốt hơn. Cụ thể, nó được ứng dụng trong xét nghiệm di truyền và đột biến ở gen người. Đồng thời, giải trình tự gen NGS cũng có thể dễ dàng phát hiện DNA của tế bào ung thư. Nhìn chung, việc chẩn đoán và điều trị bệnh không còn quá nhiều khó khăn kể từ khi phương pháp này ra đời.
-
Tiết kiệm chi phí
Một trong những ưu điểm vượt trội của giải trình tự gen là tiết kiệm chi phí. Với tính năng tự động hóa, NGS có thể thực hiện hàng triệu phản ứng giải trình tự đồng thời trong một khoảng thời gian ngắn. Kết quả xác định trực tiếp mà không cần điện di và nhân dòng các đoạn DNA. Tuy nhiên, kết quả vẫn đảm bảo độ chính xác cao.
-
Đưa ra kết quả nhanh chóng
Giải trình tự gen hỗ trợ đọc hiểu gen mã hóa, hoặc không mã hóa thành protein chức năng liên quan. Bắt đầu từ phát hiện cấu trúc DNA rồi tới những thông tin phức tạp hơn và lưu lượng xử lý lớn hơn về toàn bộ hệ gen. Với công nghệ hiện đại, phương pháp giải trình gen thế hệ mới có thể giải mã hàng triệu trình tự DNA cùng lúc. Điều này giúp nâng cao hiệu suất giải mã gen với kết quả chính xác cao.
Bên cạnh đó, chỉ trong vòng 1-2 ngày, bác sĩ đã có thể nhận thấy bất thường di truyền trong gen. Từ đó, so sánh với biểu hiện lâm sàng của bé hiện tại. Trước đây, với phương pháp xét nghiệm truyền thống, phải mất 1 tháng để thực hiện xét nghiệm gen như vậy. Tiết kiệm thời gian mà mức độ chính xác lại cao hơn. Đây chính là những ưu điểm vượt trội của phương pháp này.
-
Hiệu quả cao
Phương pháp giải trình tự gen thế hệ mới NGS có ảnh hưởng sâu rộng trong nhiều lĩnh vực. Áp dụng rộng rãi trong y học và nghiên cứu, NGS đã mang lại nhiều thanh tựu ấn tượng. Trong xét nghiệm di truyền, NGS cung cấp cái nhìn chi tiết về gen. Điều này giúp phát hiện biến đổi gen liên quan đến các bệnh lý. Ngay cả những biến đổi gen hiếm gặp. Chưa kể, NGS còn đóng góp quan trọng trong xác định các biến đổi gen mới, biểu hiện của nhiều loại ung thư. Chẳng hạn như ung thư tuyến tụy, bàng quang, phổi, vú,… Thậm chí, tầm soát ung thư cũng được thực hiện nhờ giải trình tự các mẫu sinh thiết lỏng.
8. Tạm kết
Việc giải trình tự gen đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng y học hiện đại. Nhờ công nghệ này, cơ chế di truyền và dấu hiệu nhận biết các bệnh được nắm bắt toàn diện. Từ đó, bác sĩ có thể đưa ra chẩn đoán và điều trị kịp thời. Điều này mở ra một tương lai hứa hẹn với những tiến bộ sức khỏe và trị liệu tiên tiến dựa trên tri thức về trình tự gen. BCC chuyên cập nhật nhanh chóng và chính xác nhất các thông tin liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng Công nghệ sinh học trong mọi lĩnh vực.
