ข้ามไปที่เนื้อหาหลัก

เทคโนโลยีการวิเคราะห์ลำดับพันธุกรรมสายยาว หรือ Long-Read Sequencing

เทคโนโลยีการวิเคราะห์ลำดับพันธุกรรมสายยาว หรือ Long-Read Sequencing

เทคโนโลยีการหาลำดับพันธุกรรมแบบ Long-Read หรือที่เรียกว่าการหาลำดับพันธุกรรมยุคที่สาม (Third-Generation Sequencing) เป็นการพัฒนาที่เปลี่ยนแปลงวงการจีโนมิกส์อย่างสำคัญ เทคโนโลยีนี้สามารถอ่าน DNA หรือ RNA ในรูปแบบที่ยาวต่อเนื่อง ซึ่งช่วยแก้ปัญหาที่พบในพื้นที่ที่ซับซ้อนหรือซ้ำกันในจีโนม เนื้อหานี้จะอธิบายพื้นฐานของเทคโนโลยีนี้ การทำงานเชิงเทคนิค และการใช้งานที่ทำให้เทคโนโลยีนี้มีความสำคัญในงานวิจัยสมัยใหม่

พื้นฐานของการหาลำดับพันธุกรรมแบบ Long-Read

ในเทคโนโลยีการหาลำดับแบบ Short-Read แบบดั้งเดิม DNA หรือ RNA จะถูกแบ่งเป็นชิ้นส่วนขนาดเล็กและทำการหาลำดับทีละส่วน จากนั้นจึงนำมาประกอบกลับด้วยกระบวนการคำนวณ วิธีนี้อาจมีปัญหาเมื่อต้องจัดการกับพื้นที่ที่มีการซ้ำกันสูงหรือมีความซับซ้อน

เทคโนโลยี Long-Read ช่วยแก้ปัญหานี้โดยการอ่านลำดับที่ยาวกว่า—บางครั้งยาวเกินกว่า 10,000 เบส—ซึ่งให้ข้อมูลที่ครอบคลุมและแม่นยำมากขึ้นสำหรับการวิเคราะห์จีโนม ปัจจุบันมีสองบริษัทหลักที่เป็นผู้นำในเทคโนโลยีนี้ ได้แก่:

  1. PacBio (Pacific Biosciences): โดดเด่นด้วยเทคโนโลยี Single Molecule, Real-Time (SMRT) Sequencing

  2. Oxford Nanopore Technologies (ONT): โดดเด่นด้วยอุปกรณ์ที่ใช้ระบบนาโนพอร์ (Nanopore-Based Sequencing)

การทำงานของเทคโนโลยี Long-Read Sequencing

  1. การเตรียมตัวอย่าง (Sample Preparation):

    • การสกัด DNA หรือ RNA: จำเป็นต้องใช้ DNA หรือ RNA ที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่เพื่อรักษาความยาวของลำดับ

    • การเตรียมห้องสมุด (Library Preparation): ใช้กระบวนการเฉพาะที่ช่วยลดการแตกหักของลำดับและเพิ่มความยาวที่อ่านได้ เช่น การติดตั้ง Adapter (PacBio) หรือโปรตีน Motor (ONT)

  2. กระบวนการหาลำดับ:

    • PacBio SMRT Sequencing: เทคนิคนี้ใช้ DNA วงกลมที่จับกับไพรเมอร์และโพลิเมอเรส การอ่านลำดับเกิดขึ้นแบบเรียลไทม์เมื่อโพลิเมอเรสเพิ่มเบสที่ติดฉลากด้วยสารเรืองแสง

    • Oxford Nanopore Sequencing: DNA หรือ RNA ถูกส่งผ่านรูนาโนที่ฝังอยู่ในเมมเบรน โดยการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าขณะเบสผ่านรูนาโนจะถูกแปลงเป็นลำดับเบส

  3. ผลลัพธ์ของข้อมูล:

    • PacBio ให้ข้อมูลแบบ Continuous Long Reads (CLR) และ High-Fidelity Reads (HiFi) ที่มีความแม่นยำสูง

    • ONT ผลิตข้อมูลดิบที่แปลงเป็นลำดับด้วยกระบวนการ Base-Calling และยังสามารถอ่าน RNA ได้โดยตรง

คำศัพท์เชิงเทคนิคใน Long-Read Sequencing

  1. Read Length: ความยาวของลำดับ DNA หรือ RNA ที่อ่านได้ เทคโนโลยีนี้มักให้ลำดับที่ยาวกว่า 10 kb และบางครั้งเกินกว่า 100 kb

  2. Error Rate: อัตราความผิดพลาด ซึ่งในช่วงแรกเทคโนโลยี Long-Read มีอัตราผิดพลาดสูงกว่า แต่ปัจจุบันลดลงอย่างมากด้วยเทคโนโลยี HiFi (PacBio) และตัวประมวลผลของ ONT

  3. Coverage: จำนวนครั้งที่อ่านพื้นที่ของจีโนมซ้ำ การครอบคลุมที่ลึกช่วยลดข้อผิดพลาดและเพิ่มความแม่นยำ

  4. Structural Variants (SVs): การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างขนาดใหญ่ในจีโนม เช่น การแทรก การลบ และการกลับด้าน ที่สามารถตรวจจับได้ด้วย Long-Read

  5. Epigenetics: การเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมที่ไม่เกี่ยวข้องกับลำดับเบส เช่น เมทิลเลชัน ซึ่งสามารถตรวจจับได้โดยตรง

ข้อดีของเทคโนโลยี Long-Read Sequencing

  1. การแก้ปัญหาพื้นที่ซ้ำและโครงสร้างที่ซับซ้อน:

    • Long Reads สามารถอ่านพื้นที่ที่ซ้ำและตรวจจับ SVs ที่มักถูกมองข้ามได้

  2. De Novo Assembly:

    • การประกอบจีโนมใหม่โดยไม่ต้องใช้จีโนมอ้างอิง ซึ่งมีความสำคัญในการศึกษาสิ่งมีชีวิตที่ไม่ใช่โมเดล

  3. การวิเคราะห์ Epigenetics:

    • ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเมทิลเลชันได้โดยตรง

  4. Transcriptomics:

    • การอ่านลำดับ RNA แบบเต็ม (Iso-Seq) ช่วยวิเคราะห์การสลับสับเปลี่ยนทางพันธุกรรม (Alternative Splicing) ได้อย่างครอบคลุม

ความท้าทายของ Long-Read Sequencing

  1. ค่าใช้จ่าย: แม้ว่าจะลดลง แต่ต้นทุนต่อจีกะเบสยังคงสูงกว่าแพลตฟอร์มแบบ Short-Read

  2. อัตราความผิดพลาด: แม้จะปรับปรุงแล้ว แต่ยังคงมีความผิดพลาดสูงกว่าเทคโนโลยี Illumina

  3. การจัดเก็บและวิเคราะห์ข้อมูล: ข้อมูลที่ได้มีขนาดใหญ่ ทำให้ต้องมีโครงสร้างพื้นฐานด้านการคำนวณและความเชี่ยวชาญทางชีวสารสนเทศ

การใช้งานของ Long-Read Sequencing

  1. จีโนมมนุษย์:

    • การตรวจจับ SVs ที่เกี่ยวข้องกับโรคทางพันธุกรรม

    • การพัฒนาจีโนมอ้างอิงที่สมบูรณ์ เช่น โครงการ Telomere-to-Telomere (T2T)

  2. การวิจัยมะเร็ง:

    • การตรวจจับการกลายพันธุ์ในระดับโซมาติกและการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมอื่น ๆ

  3. จีโนมจุลินทรีย์:

    • การประกอบจีโนมของจุลินทรีย์ รวมถึงการใช้งานในเมตาจีโนมิกส์

  4. จีโนมเกษตร:

    • การปรับปรุงจีโนมพืชและศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างพืชกับเชื้อโรค

  5. โรคทางระบบประสาท:

    • การวิเคราะห์การขยายตัวของลำดับซ้ำและ SVs ที่เกี่ยวข้องกับโรค เช่น โรคฮันติงตันและออทิสติก (ASD)

แนวทางในอนาคต

  1. เพิ่มความแม่นยำ: การพัฒนาอัลกอริธึมแก้ไขความผิดพลาดและเคมีการหาลำดับ

  2. ลดต้นทุน: การพัฒนาแพลตฟอร์มที่มีค่าใช้จ่ายต่ำเพื่อให้เข้าถึงได้ง่ายขึ้น

  3. การรวมกับ Multi-Omics: การผสมผสานกับโปรตีโอมิกส์ เมแทบอลิกส์ และเอพิจีโนมิกส์เพื่อให้ได้ข้อมูลที่ครอบคลุม

  4. เครื่องมือแบบพกพา: เช่น MinION ของ ONT ที่ช่วยในการใช้งานภาคสนาม เช่น การศึกษาสัตว์ป่าและการระบาดของโรคติดเชื้อ

สรุป

เทคโนโลยีการหาลำดับพันธุกรรมแบบ Long-Read กำลังปฏิวัติวงการจีโนมิกส์ด้วยการแก้ไขข้อจำกัดของวิธีการแบบดั้งเดิม ความสามารถในการอ่านพื้นที่ที่ซับซ้อน ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรม และช่วยในการประกอบจีโนมใหม่ ทำให้เทคโนโลยีนี้เป็นเครื่องมือที่สำคัญในงานวิจัยและการประยุกต์ใช้ทางคลินิก ในอนาคต เทคโนโลยีนี้จะมีบทบาทสำคัญในการเปิดเผยความซับซ้อนของจีโนมและขับเคลื่อนนวัตกรรมในหลากหลายสาขาชีววิทยา


แหล่งอ้างอิง

https://www.pacb.com/blog/long-read-sequencing/

https://www.illumina.com/science/technology/next-generation-sequencing/long-read-sequencing.html

https://nanoporetech.com

ป้ายกำกับ

Labels:

ความคิดเห็น

แสดงความคิดเห็น

โพสต์ยอดนิยมจากบล็อกนี้

หลอดใส่เลือดมี่กี่ชนิด (tube เลือดมี่กี่ชนิด)

        หลาย ๆ ท่านอาจสงสัยนะครับว่าเวลามีนัดต้องไปพบแพทย์ และเมื่อถึงเวลาเจาะเลือด ทำไมถึงต้องเก็บเลือดเราไปทีละหลาย ๆ หลอดและในการนัดแต่ละครั้งก็มีการเจาะเลือดไปไม่เหมือนเดิมกับครั้งก่อน วันนี้เราจะมาทำความเข้าใจกันครับว่าหลอดใส่เลือดแต่ละแบบมีความแตกต่างกันอย่างไร         ปัจจุบันในทางการแพทย์หลอดสำหรับเก็บตัวอย่างเลือดนั้นถูกพัฒนามาหลายรูปแบบด้วยกัน เพื่อให้มีประสิทธิภาพสำหรับตรวจทางห้องปฏิบัติการรวมถึงระยะในการเก็บรักษาตัวอย่างเลือดให้มีความเหมาะสม และมีประสิทธิภาพสูงสุดตามวัตถุประสงค์ของการตรวจทางห้องปฏิบัติการครับ สำหรับในวันนี้จะพามาทำความรู้จักกับหลอดเลือดพื้นฐานที่ใช้ในการตรวจประจำของโรงพยาบาลโดยทั่วไปครับ  สิ่งที่อยู่ในหลอดเลือดแต่ละสี        สิ่งที่อยู่ข้างในหลอดเลือดสีต่าง ๆ คือ สารเคมีที่ป้องกันการแข็งตัวของเลือด (สารกันเลือดแข็ง) โดยในหลอดแต่ละสีก็จะมีสารกันเลือดแข็งคนละชนิดกันครับ ซึ่งสาเหตุที่ต้องใช้สารกันเลือดแข็งหลายชนิด ไม่สามารถใช้ชนิดเดียว หรือหลอดเดียวสำหรับารตรวจได้ทั้งหมดก็เพราะว่าส...
แสดงความคิดเห็น
Read more »

DNA ตอนที่ 1 : DNA คืออะไร และโครงสร้างของ DNA

สารพันธุกรรม (genetic materials) ห มายถึงสารที่ทำหน้าที่เก็บข้อมูลพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตทั้งสิ่งมีชีวิตระดับโปรคาริโอต (prokaryote) และยูคาริโอต (eukaryote) โดยสารพันธุกรรมประกอบด้วย ดีเอ็นเอ (deoxyribonucleic acid หรือ DNA) และอาร์เอ็นเอ (ribonucleic acid หรือ RNA) การเก็บรักษาข้อมูลพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตเกิดจากการเรียงลำดับของหน่อยย่อยที่สุดของ DNA และ RNA อย่างเป็นระเบียบและมีความหมาย ซึ่งหน่อยย่อยของดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอเราเรียกว่า นิวคลีโอไทด์ (nucleotide) สิ่งมีชีวิตจะทำการแปลรหัสข้อมูลนิวคลีโอไทด์เหล่านี้ออกมาเป็นโปรตีนเพื่อทำหน้าที่ต่าง ๆ ของเซลล์หรือร่างกายของสิ่งมีชีวิตต่อไปผ่านการทำงานร่วมกันตั้งแต่ DNA RNA ไปจนถึงขั้นตอนการสั่งเคราะห์โปรตีน อย่างไรก็ตามสิ่งมีชีวิตบางประเภทจะเก็บข้อมูลพื้นฐานของตัวเองในรูปแบบของ RNA เท่านั้น เช่นไวรัสในกลุ่มรีโทรไวรัส หรือที่เรารู้จักกันดีก็คือไวรัสโควิด ภาพที่ 1 แสดงโครงสร้างจำลองของ DNA ที่มาภาพ : http://becuo.com/red-dna-wallpaper   DNA (deoxyribonucleic acid )                  D...
แสดงความคิดเห็น
Read more »

ความแตกต่างระหว่าง Leukemoid Reaction และ Chronic myeloid leukemia (CML)

***แก้ไขหน่วยในภาพ cell/ml เป็น cell/ul Leukemoid Reaction (LR) คือ ภาวะหนึ่งที่ร่างกายมีการสร้างเม็ดเลือดขาวออกมาในปริมาณมาก (>50,000 cell/ul) เพื่อตอบสนองต่อ ภาวะความผิดปกติบางอย่าง เช่นภาวะการติดเชื้ออย่างรุนแรง (severe infection)  เม็ดเลือดขาวที่เพิ่มขึ้นผิดปกติจำนวนมากจะเป็น mature cells  แต่ก็อาจพบเม็ดเลือดขาวระยะตัวอ่อนได้บ้างซึ่งการที่เราพบเม็ดเลือดตัวอ่อนในเลือดจะเรียกว่า Shift to the left  โดยเมื่อส่องดูเสมียร์เลือด (blood smear) ด้วยกล้องจุลทรรศน์แล้วจะพบว่ามีลักษณะที่คล้ายกับโรคมะเร็งเม็ดเลือดขาวชนิด Chronic myeloid leukemia (CML) แต่ก็มีลักษณะที่สามารถทำให้แยกออกจากกันได้ครับโดยการวินิจฉัย LR นั้นจะเป็น exclusion criteria ของมะเร็งเม็ดเลือดขาว CML เช่น ความผิดปกติของเม็ดเลือดแดง เกร็ดเลือด และชนิดของเม็ดเลือดขาวตัวเต็มวัย หรือการเพิ่มขึ้นของค่า  Leukocyte alkaline phosphatase (LAP)  ใน LR Chronic myeloid leukemia (CML) เป็นมะเร็งเม็ดเลือดขาวในสาย myeloid ชนิดเรื้องรัง โดยผู้ป่วย CML ส่วนใหญ่มีสาเหตุการเกิดโรคมาจากการกลายพั...
แสดงความคิดเห็น
Read more »