Nội dung
Công nghệ SBX là gì?
Roche đã tiết lộ công nghệ giải trình tự ADN mới có tên gọi là SBX – Sequencing by Expansion (giải trình tự bằng cách mở rộng). Đây là một công nghệ giải trình tự phân tử đơn mới, thông lượng cao được phát triển độc quyền của hãng và đánh dấu sự trở lại của công ty trong không gian giải trình tự thế hệ mới (NGS).
SBX là phương pháp tiếp cận sinh hóa mới được thiết kế để giải quyết những hạn chế của các công nghệ giải trình tự hiện tại, đặc biệt là về tốc độ, khả năng mở rộng và độ rõ của tín hiệu. Công nghệ này đã được trình bày ngay trước hội nghị Những tiến bộ trong công nghệ và sinh học bộ gen (AGBT), kèm theo một hội thảo trực tuyến về kỹ thuật do Mark Kokoris, phó chủ tịch kiêm giám đốc công nghệ SBX tại Roche, chủ trì.
SBX đại diện cho sự tích hợp các phát triển từ hai thương vụ mua lại trước đó của Roche— Stratos Genomics và Genia Technologies —và sự đổi mới cốt lõi của nó nằm ở việc chuyển đổi DNA thành một phân tử thay thế mở rộng được gọi là Xpandomer.
Dài hơn khoảng 50 lần so với chuỗi ADN ban đầu, Xpandomer vượt qua được các thách thức về độ phân giải không gian và tín hiệu trên nhiễu vốn có trong giải trình tự nanopore thông thường. Sự chuyển đổi này sử dụng các nucleotide triphosphate có thể mở rộng (X-NTP) tích hợp các mã báo cáo có khả năng phân biệt cao và các yếu tố kiểm soát chuyển vị để cho phép giải trình tự hiệu quả và chính xác.
Xpandomers được xử lý thông qua một mảng cảm biến dựa trên chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS) với khoảng tám triệu microwell, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giải trình tự phân tử đơn lẻ song song, thông lượng cao.
X-NTP
Công nghệ SBX sử dụng quy trình chuyển đổi sinh hóa độc quyền để mở rộng và mã hóa trình tự của khuôn mẫu ADN thành phân tử Xpandomer.
Các khối xây dựng của Xpandomer là các nucleotide triphosphate có thể mở rộng, hay X-NTP. Các chất báo cáo tín hiệu trên nhiễu cao này là kết quả của kỹ thuật phân tử tinh vi và bao gồm một mã báo cáo dễ phân biệt, một thành phần kiểm soát chuyển vị để vận chuyển được kiểm soát chặt chẽ qua lỗ chân lông, các chất tăng cường để tổng hợp Xpandomer mạnh mẽ và một liên kết có thể phân cắt bằng axit để mở rộng sau khi sao chép.
Tổng hợp Xpandomer
Mỗi một trong bốn X-NTP dễ phân biệt (một cho mỗi bazơ), hoạt động như chất nền cho quá trình sao chép dựa trên polymerase phụ thuộc vào khuôn mẫu. Polymerase, XP synthase, đã được thiết kế cẩn thận để kết hợp các monome X-NTP lớn, cho phép độ chính xác đọc thô trung bình >99,3%, độ phủ GC đồng đều và độ dài đọc dài hơn.
Các phần tăng cường polymerase, hay PEM, cũng được thêm vào phản ứng tổng hợp để hỗ trợ polymerase kết hợp đúng X-NTP vào polyme đang phát triển.
Bằng cách ổn định phân tử kéo dài, PEM đóng vai trò quan trọng trong việc tăng độ dài đọc vượt ra ngoài các công nghệ giải trình tự đọc ngắn truyền thống. Sau khi tổng hợp phân tử thay thế, các liên kết có thể phân cắt bằng axit bị phá vỡ, cho phép Xpandomer mới tổng hợp kéo dài hơn 50 lần so với phân tử ADN ban đầu.
Đo lường phân tử đơn
Phân tử Xpandomer sau đó được định tuyến qua một nanopore sinh học theo cách hiệu quả và chính xác cao. Sự di chuyển của Xpandomer qua lỗ được hướng dẫn bởi các xung điện áp đưa Xpandomer qua lỗ một mã báo cáo tại một thời điểm.
Các mã báo cáo phân biệt cao được đo dễ dàng trong quá trình chuyển vị này thông qua một mảng dựa trên bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS) có khả năng mở rộng, kết hợp các điện cực, mạch phát hiện và chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số. Vì mảng CMOS chứa khoảng tám triệu microwell (mỗi microwell chứa một nanopore), nên phép đo diễn ra theo cách song song hàng loạt, được kiểm soát chặt chẽ mà không có các vấn đề về tích chập của giải trình tự nanopore truyền thống. Kết quả là phép đo hiệu quả về mặt chi phí đối với hàng trăm triệu bazơ mỗi giây, bỏ qua phương pháp tiếp cận truyền thống là kết hợp theo chu kỳ và đo từng bazơ tại một thời điểm.
Xem thêm:
Những điểm đột phá của công nghệ SBX
Roche đã đáp ứng nhu cầu cải thiện hiệu suất bằng cách phát triển một loại công nghệ NGS mới, được gọi là giải trình tự bằng cách mở rộng (SBX). Phương pháp tiếp cận mạnh mẽ này đối với NGS đã được thiết kế để có tính linh hoạt và hiệu suất, với khả năng mở rộng trong tương lai. Cụ thể, công nghệ SBX có một số lợi thế, bao gồm:
- Hoạt động linh hoạt, có thể thích ứng với nhiều yêu cầu mẫu khác nhau.
- Độ chính xác cao, được chứng minh bằng điểm F1 trên 99,80% đối với các biến thể nucleotide đơn (SNV) và trên 99,48% đối với các đoạn chèn và đoạn xóa (InDels) trong các mẫu toàn bộ bộ gen HG001.
- Năng suất rất cao, có khả năng giải trình tự bảy bộ gen người trong một giờ với độ phủ 30X.
- Độ dài đọc linh hoạt, dao động từ 50 cặp bazơ (bp) đến hơn 1.000 bp.
- Tùy chọn quy trình làm việc cực nhanh, cho phép xử lý từ mẫu máu đến tệp định dạng cuộc gọi biến thể (VCF) trong vòng chưa đầy tám giờ.
- Hiệu quả về chi phí được hỗ trợ bởi mô-đun cảm biến có khả năng mở rộng và tái sử dụng.
Về cơ bản, công nghệ SBX chuyển đổi thông tin ADN thành một phân tử dài hơn, “mở rộng”, vượt qua những thách thức về không gian của công nghệ nanopore hiện tại và cho phép tín hiệu trên nhiễu cao hơn để cải thiện độ chính xác. Phân tử mở rộng này, hay Xpandomer, sau đó được đưa qua nanopore độc quyền của Roche, thúc đẩy giải trình tự phân tử đơn lẻ ở tốc độ cực cao và tạo điều kiện truy cập nhanh vào dữ liệu giải trình tự có thể sử dụng.
Sự phát triển của công nghệ SBX bắt nguồn từ Mark Kokoris, một nhà sinh hóa học bắt đầu hành trình nghiên cứu của mình vào cuối những năm 1980 tại Đại học California, Davis. Ban đầu tập trung vào quá trình tiến hóa phân tử và giải trình tự Sanger thủ công, Kokoris sau đó đã áp dụng chuyên môn của mình trong kỹ thuật protein để phát triển các enzyme mới cho các ứng dụng liệu pháp gen. Các thử nghiệm ban đầu của ông trong lĩnh vực này đã đặt nền tảng cho SBX, đặc biệt là trong việc giải quyết các thách thức về tín hiệu trên nhiễu vốn có của giải trình tự nanopore.
Năm 2007, Kokoris đồng sáng lập Stratos Genomics, nơi ông và nhóm của mình làm việc với nguồn lực hạn chế để phát triển khái niệm SBX. Theo Genetic Engineering and Biotechnology News (GEN), các thử nghiệm ban đầu đã được tiến hành với các thiết lập phòng thí nghiệm tạm thời; sau đó, từ năm 2014 đến năm 2019, các dự án nghiên cứu hợp tác với Roche Diagnostics đã tinh chỉnh thêm hóa học SBX, dẫn đến việc Roche mua lại Stratos Genomics vào năm 2020. Bước đột phá đến sau gần một thập kỷ thử nghiệm khi Kokoris và nhóm của ông xác định được một chất phụ gia phân tử ổn định cho phép các cấu trúc ADN mở rộng hình thành thành công.
Ban đầu, SBX chỉ có sẵn cho mục đích nghiên cứu, dự kiến sẽ được tiếp cận sớm vào cuối năm nay và thương mại hóa vào năm 2026. Mặc dù thông tin chi tiết về giá cả và chuẩn bị mẫu chưa được tiết lộ, Roche có ý định mở rộng ứng dụng công nghệ này vào các cơ sở lâm sàng theo thời gian.
*** Công nghệ SBX đang trong quá trình phát triển và chưa có trên thị trường. Nội dung của tài liệu này phản ánh kết quả nghiên cứu hiện tại hoặc mục tiêu thiết kế.
(*) Theo Roche, BioPharmaTrend
