Nguồn: Illumina
Nội dung
Tiềm năng của công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới
Chúng ta mong đợi gì đối với sự phát triển của lĩnh vực giải mã gen và công nghệ giải trình tự gen thế hệ hiệu năng cao?
Đây là câu hỏi mà chúng tôi đã cùng nhau thảo luận trong buổi Cafe Talk gần đây tại NOVAGEN Việt Nam.
Hãy cùng điểm qua những nội dung chính.
Sự phát triển của công nghệ giải mã gen và giải trình tự thế hệ mới (NGS) hiệu cao không gì khác ngoài một cuộc cách mạng. Những tiến bộ này đã biến đổi bộ gen, công nghệ sinh học và y học theo những cách không thể tưởng tượng được chỉ vài thập kỷ trước.
Giải mã gen
Tìm ra ý nghĩa của các trình tự ADN cụ thể và cách chúng hoạt động—đã tăng tốc đáng kể nhờ NGS.
Không giống như giải trình tự Sanger cũ, vốn chậm và tốn nhiều công sức, các nền tảng NGS có thể giải trình tự hàng triệu đoạn ADN cùng lúc. Khả năng giải trình tự song song này đã làm giảm chi phí (hãy nghĩ đến Định luật Moore đối với bộ gen) và đẩy nhanh quá trình theo cấp số nhân.
Dự án bộ gen người đã mất hơn một thập kỷ và hàng tỷ đô la để giải trình tự một bộ gen; giờ đây, chúng ta có thể thực hiện trong một ngày với một phần nhỏ chi phí đó.
*** Xem thêm: Tổng quan Công nghệ Giải trình tự Gen thế hệ mới (NGS)
Những tác động của công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới?
Là rất lớn.
Trong nghiên cứu, NGS đã cho phép chúng ta lập bản đồ bộ gen của vô số loài, khám phá các biến thể di truyền như đa hình một nucleotide (SNP) và nghiên cứu biểu hiện gen thông qua giải trình tự RNA. Nó đã mở ra cánh cửa để hiểu các bệnh phức tạp—ví dụ như ung thư, nơi giải trình tự khối u có thể tiết lộ các đột biến thúc đẩy sự phát triển, dẫn đến các liệu pháp nhắm mục tiêu. Về mặt lâm sàng, nó đang thúc đẩy y học cá nhân hóa—bệnh nhân có thể được điều trị phù hợp với cấu tạo di truyền của họ thay vì phương pháp tiếp cận một kích thước phù hợp với tất cả.
Tuy nhiên, công nghệ thông lượng cao không chỉ là về tốc độ.Mà còn là về quy mô và chiều sâu.
Các kỹ thuật như ChIP-seq và ATAC-seq cho phép chúng ta xem xét đến biểu sinh học—cách gen được điều chỉnh mà không làm thay đổi trình tự ADN. Điều này rất quan trọng để hiểu sự phát triển, lão hóa và tiến triển của bệnh. Thêm vào đó, siêu gen học (metagenomics)—giải trình tự toàn bộ quần thể vi khuẩn—đã bùng nổ, cung cấp cho chúng ta những hiểu biết sâu sắc về hệ vi sinh vật và vai trò của chúng đối với sức khỏe và hệ sinh thái.
Tuy nhiên, không phải mọi thứ đều suôn sẻ.
Dữ liệu đầu ra rất lớn—hàng terabyte trình tự thô cho mỗi lần chạy—gây ra những thách thức cho việc lưu trữ, phân tích và diễn giải.
Tin sinh học (Bioinformatics) đã phải phát triển nhanh chóng để theo kịp và chúng ta vẫn đang vật lộn với cách hiểu tất cả những tiếng ồn trong dữ liệu. Các biến thể có ý nghĩa chưa biết (Variants of unknown significance – VUS) là một vấn đề đau đầu trong các bối cảnh lâm sàng—tìm ra đột biến là một chuyện, biết nó làm gì lại là chuyện khác.
Liên quan tới chỉnh sửa gen kết hợp với công nghệ giải trình tự thế hệ mới này, chúng ta sẽ thảo luận về CRISPR và các chủ đề liên quan ở các bài post tiếp theo.
*** Xem thêm:
- CRISPR/Cas9 là gì
- Khám phá tiềm năng của công nghệ CRISPR trong kỷ nguyên chỉnh sửa gen
- CRISPR và nguy cơ ung thư
Nhìn về tương lai, quỹ đạo của lĩnh vực NGS này thật điên rồ. Giải trình tự thế hệ thứ ba—giống như công nghệ nanopore—đã vượt qua các hạn chế của NGS, cung cấp giải trình tự đọc dài theo thời gian thực có thể giải quyết các vùng lặp lại khó khăn trong bộ gen. Kết hợp điều đó với phân tích do AI thúc đẩy, chúng ta đang ở bờ vực giải mã không chỉ gen mà còn toàn bộ hệ thống sinh học với độ chính xác đáng kinh ngạc.
Với các công ty giải mã gen hàng đầu như Illumina và Roche, tiềm năng sẽ là gì?
Tiềm năng của các công ty giải mã gen hàng đầu như Illumina và Roche trong lĩnh vực giải trình tự thế hệ tiếp theo (NGS) thông lượng cao là rất lớn và mang tính chuyển đổi, bao gồm nghiên cứu, ứng dụng lâm sàng và hơn thế nữa.
Cả hai công ty đều đi đầu trong việc thúc đẩy công nghệ gen, nhưng họ tiếp cận nó bằng những thế mạnh và cải tiến riêng biệt.
Hãy cùng phân tích một số yếu tố sau đây:
Tiềm năng của Illumina
Illumina thống trị thị trường giải trình tự đọc ngắn, nắm giữ khoảng 80-90% sản lượng dữ liệu giải trình tự toàn cầu trong những năm gần đây.
Ưu thế công nghệ của công ty nằm ở việc tinh chỉnh hóa học giải trình tự bằng tổng hợp (SBS) và đẩy mạnh ranh giới thông lượng và chi phí.
Giảm chi phí và khả năng tiếp cận:
Dòng NovaSeq X của Illumina, ra mắt vào năm 2022, hứa hẹn giải trình tự bộ gen người với giá 200 đô la, giảm từ hàng triệu đô la vào đầu những năm 2000. Với khả năng tạo ra 20.000 bộ gen mỗi năm cho mỗi máy, điều này giúp cắt giảm chi phí và dân chủ hóa khả năng tiếp cận. Các phòng thí nghiệm ở mọi quy mô—cơ sở cốt lõi, trung tâm nghiên cứu hoặc trung tâm lâm sàng—có thể áp dụng giải trình tự thông lượng cao mà không tốn kém.
Hiệu ứng lan tỏa? Nhiều dữ liệu bộ gen hơn cho các nghiên cứu về dân số, nghiên cứu bệnh hiếm và phát triển thuốc.
Khả năng mở rộng và Đa hệ gen:
Các nền tảng của Illumina, từ benchtop (MiSeq) đến quy mô sản xuất (NovaSeq), hỗ trợ nhiều ứng dụng—giải trình tự toàn bộ bộ gen, giải trình tự exome, RNA-seq và thậm chí cả bộ dụng cụ đọc dài mới nổi (ví dụ: Complete Long Reads).
Tính linh hoạt này giúp Illumina tích hợp đa hệ gen—genomics, transcriptomics, epigenetics—vào một khuôn khổ thống nhất. Hãy tưởng tượng một tương lai khi một nền tảng duy nhất lập bản đồ ADN, biểu hiện RNA và các dấu hiệu biểu sinh của bệnh nhân trong một lần chạy, giúp đẩy nhanh y học chính xác.
Ứng dụng lâm sàng:
Sự thúc đẩy của Illumina vào chẩn đoán được thể hiện rõ qua các hệ thống do FDA quản lý như NextSeq 550Dx và kế hoạch cho NovaSeq Dx. Các quan hệ đối tác, chẳng hạn như với Roche vào năm 2020, nhằm mục đích phát triển các xét nghiệm chẩn đoán trong ống nghiệm (IVD). Điều này có thể có nghĩa là sàng lọc bộ gen thường quy để phát hiện đột biến ung thư hoặc các bệnh di truyền, chuyển dịch chăm sóc sức khỏe từ phản ứng sang chủ động.
Hệ sinh thái AI và dữ liệu:
Bộ phần mềm TruSight của Illumina và nền tảng tin sinh học DRAGEN tận dụng AI để hợp lý hóa việc gọi và diễn giải biến thể. Khi trình tự mở rộng, nút thắt sẽ chuyển sang phân tích dữ liệu—khoản đầu tư của Illumina tại đây có thể biến nó thành một cửa hàng một cửa, không chỉ để giải trình tự mà còn để có thông tin chi tiết có thể hành động.
Tiềm năng của Roche
Roche, mặc dù ít thống trị hơn trong lĩnh vực phần cứng giải trình tự kể từ khi đóng cửa 454 Life Sciences vào năm 2013, đang quay trở lại cuộc chơi với công nghệ Giải trình tự bằng Mở rộng (SBX), được ra mắt vào năm 2025. Điểm mạnh của công ty nằm ở sự đổi mới và tích hợp với đế chế chẩn đoán của mình.
Tốc độ và tính linh hoạt:
SBX hứa hẹn giải trình tự cực nhanh—hãy nghĩ đến toàn bộ bộ gen trong vài giờ, không phải vài ngày—bằng cách sử dụng các phân tử tổng hợp mở rộng và cảm biến CMOS thông lượng cao. Điều này có thể cách mạng hóa các ứng dụng nhạy cảm với thời gian như các đợt bùng phát bệnh truyền nhiễm hoặc chẩn đoán ung thư quan trọng, nơi mà việc chờ đợi nhiều ngày để có kết quả là không khả thi. Tính linh hoạt có thể điều chỉnh của nó cũng có nghĩa là các phòng thí nghiệm có thể điều chỉnh thông lượng theo nhu cầu mẫu, từ các lô nhỏ đến các lần chạy lớn.
Độ chính xác và khả năng mở rộng:
Roche tuyên bố SBX mang lại độ chính xác cao (điểm F1 >99,8% đối với SNP), giải quyết một điểm khó khăn chính của NGS. Được ghép nối với một mô-đun cảm biến có thể tái sử dụng, nó có thể mở rộng hiệu quả về mặt chi phí. Nếu Roche đạt mốc bộ gen 100 đô la (một chuẩn mực mà Ultima Genomics cũng nhắm tới), nó có thể làm suy yếu Illumina và xác định lại kỳ vọng của thị trường.
Nghiên cứu lâm sàng và chuyển dịch:
Chuyên môn chẩn đoán của Roche (ví dụ: hồ sơ ung thư của Foundation Medicine) sẽ kết hợp với SBX. Bộ dụng cụ CGP mô u AVENIO, phù hợp với bảng 324 gen của FoundationOne, cho thấy cách Roche kết nối nghiên cứu và ứng dụng lâm sàng. SBX có thể khuếch đại điều này, cho phép lập hồ sơ bộ gen toàn diện, nhanh chóng tại các bệnh viện trên toàn thế giới.
Phá vỡ tình trạng hiện tại:
Không giống như các cải tiến lặp đi lặp lại của Illumina, SBX là một sự thay đổi mô hình. Bằng cách tránh các hạn chế về nanopore truyền thống (các vấn đề về tín hiệu trên nhiễu), Roche có thể vượt qua các đối thủ cạnh tranh. Nếu cung cấp tốc độ, độ chính xác và chi phí, nó có thể thách thức sự thống trị đọc ngắn của Illumina và tạo ra một thị trường ngách trong thị trường đọc ngắn/dài lai.
Tiềm năng và sự tương tác chung của 2 công ty
Y học cá nhân hóa:
Cả hai công ty đều thúc đẩy giấc mơ điều chỉnh các phương pháp điều trị theo từng bộ gen riêng lẻ. Quy mô của Illumina và tốc độ của Roche có thể cùng nhau tạo nên thói quen này, từ liệu pháp điều trị ung thư đến dược lý di truyền.
Sức khỏe toàn cầu:
Sự hợp tác của Illumina với Africa CDC để trang bị NGS cho 55 quốc gia vào năm 2025 và tiềm năng đẩy nhanh quá trình giải trình tự mầm bệnh của Roche có thể chuyển đổi hoạt động giám sát bệnh tật—hãy nghĩ đến việc theo dõi thời gian thực đại dịch tiếp theo.
Tăng tốc nghiên cứu:
Giải trình tự rẻ hơn, nhanh hơn có nghĩa là nhiều dữ liệu hơn cho các mô hình AI để giải mã các đặc điểm phức tạp—hãy nghĩ đến điểm rủi ro đa gen hoặc đột phá về sinh học tổng hợp.
Thách thức và giới hạn
Sự cạnh tranh:
Illumina phải đối mặt với áp lực từ những đối thủ như Ultima Genomics (bộ gen 100 đô la) và các công ty dẫn đầu lâu năm (PacBio, Oxford Nanopore). SBX của Roche, vẫn đang trong quá trình phát triển, phải chứng minh được độ tin cậy ở quy mô lớn.
Quá tải dữ liệu:
Giải trình tự nhiều hơn sẽ làm tăng gánh nặng tin sinh học—cả hai đều cần các giải pháp mạnh mẽ để tránh nhấn chìm các nhà nghiên cứu trong dữ liệu thô.
Đạo đức và công bằng:
Chi phí thấp hơn không đảm bảo khả năng tiếp cận trong các bối cảnh có ít nguồn lực và chỉnh sửa gen kết hợp với NGS đặt ra những câu hỏi hóc búa.
Bức tranh toàn cảnh
Tiềm năng của Illumina nằm ở việc tinh chỉnh và mở rộng quy mô một hệ sinh thái đã được thiết lập—làm cho hệ gen trở nên phổ biến.
Trong khi đó, Roche đang phá vỡ hệ sinh thái đó bằng tốc độ và sự đổi mới, có khả năng thiết lập lại tiêu chuẩn.
Cùng nhau, họ có thể đẩy giải trình tự vượt qua các giới hạn hiện tại, giải mã không chỉ gen mà còn toàn bộ mạng lưới sinh học. Thập kỷ tới có thể chứng kiến các bộ gen được giải trình tự trong vài phút với giá chỉ vài xu, thúc đẩy những khám phá mà chúng ta chưa thể tưởng tượng được.
