Система NGS

Типы систем NGS

Основная задача системы NGS - секвенирование всего генома с низкой стоимостью и быстрым временем выполнения. Существуют различные типы систем секвенирования следующего поколения с определенными функциями. Обычно они основаны на разных принципах.

• Секвенирование по синтезу (SBS):

  SBS - широко используемая технология NGS в нескольких секвенаторах, таких как системы Illumina. Она включает в себя включение флуоресцентно меченных нуклеотидов ДНК-полимеразой во время синтеза комплементарной цепи. Специфическая последовательность испускаемых флуоресцентных сигналов регистрируется и переводится в последовательности ДНК.

• Полупроводниковое секвенирование Ion Torrent:

  Эта технология измеряет изменения pH, вызванные высвобождением ионов водорода во время амплификации ДНК. Она использует полупроводниковый чип для прямого обнаружения включенных нуклеотидов, что приводит к цифровому кодированию последовательности ДНК.

• Секвенирование лигированием:

  Это процесс идентификации коротких последовательностей ДНК путем обнаружения флуоресцентных сигналов, генерируемых во время лигирования олигонуклеотидных зондов к целевой ДНК. События лигирования регистрируются для определения последовательности ДНК.

• Секвенирование в реальном времени на одной молекуле (SMRT):

  Секвенирование SMRT - это технология, разработанная компанией Pacific Biosciences (PacBio), которая позволяет наблюдать в реальном времени синтез ДНК одной молекулой ДНК-полимеразы. Она позволяет считывать длинные фрагменты ДНК и предоставляет информацию о последовательности ДНК в режиме реального времени.

Характеристики и техническое обслуживание систем NGS

NGS имеет несколько важных компонентов, каждый с разными характеристиками. Вот некоторые типичные характеристики.

• Химия секвенирования: Машины NGS обычно имеют специальную химию секвенирования для идентификации оснований. Например, Illumina использует обратимое терминаторное секвенирование по синтезу (SBS) в качестве своей химии. Она работает с флуоресцентно меченными нуклеотидами.
• Длина чтения: Из-за способа работы NGS, фрагменты ДНК, которые она считывает, будут иметь разную длину. Но, как правило, фрагменты будут находиться в диапазоне от 50 до 300 пар оснований. Например, приборы Illumina имеют разные конфигурации, которые могут генерировать длину чтения от 75 до 300 оснований.
• Пропускная способность: Объем данных секвенирования, который NGS может генерировать за определенное время, будет зависеть от ее модели. Конечный вывод данных обычно выражается в гигабазах (Гб). Например, секвенатор MiSeq компании Illumina может генерировать до 15 Гб данных за 24 часа работы, в то время как NovaSeq 6000 может генерировать до 6000 Гб примерно за два дня.
• Точность: Точность считывания последовательностей оснований ДНК системой NGS может варьироваться в зависимости от ее модели. Машина может иметь точность однооснования или более точный уровень одной ошибочной основы на миллион истинных оснований. Например, системы Ion Torrent имеют точность до 99,9%.
• Формат файла: Системы NGS имеют определенный формат файла, который они производят для удобства хранения, анализа и обмена данными. Например, система NGS Illumina будет производить данные в формате BCL. BCL означает Binary Base Call. Данные позже преобразуются в файлы FASTQ для хранения и анализа.

Техническое обслуживание

Правильный уход и регулярное техническое обслуживание могут гарантировать, что машины секвенирования следующего поколения продолжат работать с высокой пропускной способностью и точностью. Вот общий график планового технического обслуживания NGS:

• Ежедневно: Проверьте условия окружающей среды, чтобы убедиться, что они будут поддерживать стабильную работу. Температура окружающей среды и уровень влажности должны находиться в заданных диапазонах для оптимальной производительности. Параметры находятся в диапазоне от 20 до 25°C и от 40 до 60% относительной влажности соответственно. Также осмотрите критически важные расходные материалы, такие как проточная ячейка и наборы реагентов. Убедитесь, что нет признаков загрязнения или повреждений. Строго соблюдайте процедуры обращения с продукцией производителя. Очистите рабочую поверхность вокруг NGS, но избегайте чистящих средств, которые содержат летучие органические соединения (ЛОС).
• Еженедельно: В конце каждой недели пользователь может выполнить проверку работоспособности системы. Он может запустить стандартный тест, чтобы убедиться, что все подсистемы работают оптимально. Результаты могут показать, есть ли необходимость в раннем техническом обслуживании.
• Ежемесячно: Пользователь машины может откалибровать критически важные компоненты NGS, такие как жидкостные системы и оптические системы. Он также может заменить критически важные компоненты NGS, которые взаимодействуют с элементами окружающей среды, такими как воздушные фильтры. Это предотвращает загрязнение реагентов и образцов.
• Ежеквартально: Пользователь NGS должен проводить глубокую очистку секвенатора не реже одного раза в три месяца. Он может использовать наборы для чистки, предоставляемые поставщиком NGS. Частью процесса очистки является пропуск моющих растворов через жидкостную систему для удаления любых остатков или загрязнений.
• Ежегодно: Пользователи могут рассмотреть возможность проведения оценки производительности. Оценка может помочь дилеру или производителю оценить точность и точность работы машины. При необходимости они могут заменить компоненты машины на новые и рекомендованные детали.

Применения и сценарии для систем NGS

Как мы уже говорили ранее, цель системы NGS - проведение секвенирования. Существует ряд областей и секторов, где их можно использовать с большой эффективностью.

• Геномика: В последние годы изучение геномов стало самостоятельной наукой. Увеличиваются усилия по проведению популяционных исследований, чтобы понять, как генетический состав определенных популяций может влиять на их черты. Кроме того, предпринимаются попытки понять происхождение человека, эволюционные исследования и функциональные исследования геномов. Все эти усилия требуют мощной системы NGS, с помощью которой исследователи могут секвенировать геномы, которые они изучают.
• Клиническая диагностика: Секвенирование генов играет важную роль в понимании различных заболеваний, особенно генетических. Используя систему NGS, клиницисты могут определить, какая часть генетического состава человека вызывает заболевание. Не только это, но и его можно использовать для подбора конкретных лекарств и методов лечения, основанных на генетическом составе человека. Это называется персонализированной медициной, и она становится все более популярной с каждым днем.
• Онкология: Рак - это заболевание, которое стало повсеместным, и исследователи пытаются найти способы понять, как оно работает. Изменения в геноме являются основной причиной рака. Системы NGS можно использовать для изучения этих геномных изменений, тем самым помогая нам лучше понять рак. Это, в свою очередь, помогает идентифицировать мишени для противораковой терапии и даже предлагает способы профилактики заболевания у некоторых людей.
• Анализ микробиома: Человеческий организм является домом для множества бактерий - некоторые из них полезны, а некоторые потенциально вредны. Например, набор бактерий, живущих в кишечнике человека, называется микробиомом. Изучение микробиома может дать ценные подсказки о здоровье человека, устойчивости к болезням и даже о реакции на лекарства. Используя системы NGS, исследователи могут идентифицировать и каталогизировать различные виды бактерий, присутствующих в образце человека. Это обогащает наше понимание здоровья и болезней человека.
• Безопасность пищевых продуктов и судебная экспертиза: В случае вспышки пищевого отравления система NGS может быть использована для начала расследования по отслеживанию источника, чтобы определить источник загрязнения и способ его возникновения. Если человек заражен генетически секвенированным организмом, система NGS может помочь в понимании штамма организма и его чувствительности к определенным лекарствам. Это дополнительно поможет в быстром реагировании на загрязнение, чтобы общественность была защищена. Систему NGS также можно использовать в уголовных расследованиях. Если на месте преступления собраны биологические образцы, их можно генетически секвенировать. Это может помочь установить связи между жертвой преступления и преступником.

Как выбрать систему NGS

При выборе системы секвенирования следующего поколения (NGS) необходимо учитывать такие факторы, как глубина покрытия генома, длина чтения, пропускная способность, точность и другие характеристики системы. Кроме того, желаемое применение системы в конкретных областях исследований имеет важное значение для учета при определении того, какие функции более важны для исследования компании. Необходимо также тщательно изучить рабочий процесс подготовки образцов и анализа данных, поскольку эти два этапа будут определять систему, необходимую для плавного и эффективного процесса.

Еще один важный аспект, который следует рассмотреть, - это возможность масштабирования системы для адаптации и удовлетворения будущих потребностей. Интеграция прибора с другими лабораторными системами для поддержания эффективного и оптимизированного рабочего процесса - это еще одна важная функция, которую следует учитывать наряду с простотой использования платформы, автоматизацией и емкостью образцов.

Наконец, хотя стоимость и бюджет системы NGS в конечном итоге будут определять, соответствуют ли ее характеристики требованиям, полезно рассмотреть техническую поддержку и опыт, предоставляемые поставщиком, который поставляет систему, чтобы гарантировать, что клиенты получают помощь в любое время.

Вопросы и ответы о системе NGS

В1. Какое влияние оказала NGS на персонализированную медицину?

О1. Персонализированная медицина подбирает лечение на основе индивидуальной генетики. NGS позволяет сделать это, быстро и недорого секвенируя геном пациента. Это выявляет уникальные генетические вариации, которые влияют на риск заболеваний, реакцию на лекарства и выбор лечения. Геномное профилирование с помощью NGS помогает в разработке лекарств и предлагает целевую терапию и точное лечение, связанное с определенными генетическими мутациями.

В2. Каковы три основных этапа процесса NGS?

О2. Три ключевых этапа системы NGS - это подготовка образцов, секвенирование и анализ данных. На этапе подготовки образцов ДНК/РНК фрагментируется, метится и амплифицируется. Затем во время секвенирования миллионы фрагментов считываются параллельно. Наконец, инструменты биоинформатики анализируют огромные данные, собирая последовательности и извлекая биологические сведения.

В3. Чем системы NGS отличаются от традиционного секвенирования Сенгера?

О3. Секвенирование следующего поколения (NGS) принципиально отличается от секвенирования Сенгера. В то время как Сенгер секвенирует один фрагмент ДНК за раз, NGS массово параллельно считывает миллионы фрагментов, увеличивая пропускную способность и скорость. NGS также секвенирует целые геномы или целевые регионы комплексно, в то время как Сенгер ограничен меньшими масштабами. Кроме того, системы NGS более экономичны для генерации больших объемов данных секвенирования по сравнению с более старым методом Сенгера.