หลักการทำงานของ NGS sequencer: Sequencing by Synthesis

    Sequencing by Synthesis (SBS) เป็นเทคโนโลยีหลักของการหาลำดับเบสยุคใหม่ (Next-generation Sequencing: NGS) ที่ช่วยให้สามารถอ่านลำดับดีเอ็นเอจำนวนมากได้พร้อมกัน (Massively Parallel Sequencing) โดยอาศัยหลักการทำงานของเอนไซม์ DNA polymerase ในการเติมนิวคลีโอไทด์ต่อจากไพรเมอร์ เช่นเดียวกับกระบวนการจำลองดีเอ็นเอในธรรมชาติ

        แนวคิดของ SBS คือการหาลำดับเบสจากการ ตรวจจับนิวคลีโอไทด์ที่ถูกเติมเข้าไปทีละตัว โดยทำซ้ำเป็นรอบ ๆ ตามขั้นตอนดังนี้

1. การยึดดีเอ็นเอกับพื้นผิวแข็ง ชิ้นส่วนดีเอ็นเอจะถูกยึดติดบนพื้นผิว
   เช่น flow cell และถูกเพิ่มจำนวนจนเกิดเป็นกลุ่มดีเอ็นเอที่เหมือนกัน (clonal clusters) เพื่อให้สัญญาณตรวจจับชัดเจน
2. การสร้างดีเอ็นเอสายเดี่ยว
   ดีเอ็นเอสายคู่จะถูกแยกให้เหลือสายเดี่ยว ทำหน้าที่เป็นแม่พิมพ์สำหรับการสังเคราะห์
3. การจับไพรเมอร์และการเติมนิวคลีโอไทด์
   ไพรเมอร์จะเข้าจับกับดีเอ็นเอสายเดี่ยว จากนั้น DNA polymerase จะเติมนิวคลีโอไทด์คู่สม เพียงหนึ่งตัวต่อรอบ โดยนิวคลีโอไทด์เหล่านี้เป็น reversible terminators และมีสัญญาณเรืองแสงกำกับ
4. การตรวจจับสัญญาณ
   มีการถ่ายภาพเพื่อตรวจจับสัญญาณเรืองแสง ทำให้ทราบว่านิวคลีโอไทด์ชนิดใด (A, T, C หรือ G) ถูกเติมเข้าไป
5. การลบตัวหยุดและทำซ้ำรอบใหม่
   สารเรืองแสงและหมู่ยับยั้งจะถูกกำจัดออก เพื่อให้สามารถเติมนิวคลีโอไทด์ตัวถัดไปได้ กระบวนการนี้จะทำซ้ำจนได้ความยาวลำดับตามต้องการ

ภาพที่ 1 หลักการของ Sequencing By Synthesis
(อ้างอิงจาก https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S0167-7799%2823%2900185-3)

ข้อดีของ Sequencing by Synthesis (SBS)

• การหาลำดับเบสแบบขนานจำนวนมาก (Massively Parallel Sequencing)
  SBS สามารถอ่านลำดับดีเอ็นเอหลายล้านตำแหน่งพร้อมกันบนพื้นผิวแข็ง ทำให้ได้ข้อมูลจำนวนมากภายในเวลาสั้น
• ความแม่นยำสูง
  การเติมและตรวจจับนิวคลีโอไทด์ทีละตัวอย่างเป็นขั้นตอน โดยใช้ reversible terminators ช่วยลดความผิดพลาดและเพิ่มความถูกต้องในการระบุเบส
• รองรับงานขนาดใหญ่ (Scalability)
  สามารถเพิ่มปริมาณข้อมูลได้ตามขนาดการทดลอง เหมาะกับงาน เช่น whole-genome sequencing, exome sequencing และการวิเคราะห์ตัวอย่างจำนวนมาก

     SBS เป็นเทคโนโลยีหลักของ NGS ที่อาศัยการทำงานของเอนไซม์ DNA polymerase ร่วมกับการตรวจจับนิวคลีโอไทด์ที่ถูกเติมเข้าไปทีละลำดับ ทำให้สามารถหาลำดับเบสได้อย่าง แม่นยำ รวดเร็ว และในปริมาณมหาศาล บนพื้นผิวของแข็ง

     ด้วยความสามารถในการทำงานแบบเป็นรอบซ้ำ ๆ ร่วมกับข้อดีด้านความแม่นยำและการปรับขนาด SBS จึงเป็นรากฐานสำคัญของการศึกษาทางพันธุศาสตร์ และถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในงานวิจัย ชีวการแพทย์ และเทคโนโลยีชีวภาพ ปัจจุบันหลายบริษัทได้นำ SBS ไปพัฒนาเครื่อง NGS เช่น Salus Biomed เป็นต้น

ศึกษาข้อมูลเพิ่มเติม:
McCombie, W. Richard, John D. McPherson, and Elaine R. Mardis. "Next-generation sequencing technologies." Cold Spring Harbor perspectives in medicine 9, no. 11 (2019): a036798.

Uhlen, Mathias, and Stephen R. Quake. "Sequential sequencing by synthesis and the next-generation sequencing revolution." Trends in Biotechnology 41, no. 12 (2023): 1565-1572.

Guo, Jia, Lin Yu, Nicholas J. Turro, and Jingyue Ju. "An integrated system for DNA sequencing by synthesis using novel nucleotide analogues." Accounts of chemical research 43, no. 4 (2010): 551-563.

Ju, Jingyue, Dae Hyun Kim, Lanrong Bi, Qinglin Meng, Xiaopeng Bai, Zengmin Li, Xiaoxu Li et al. "Four-color DNA sequencing by synthesis using cleavable fluorescent nucleotide reversible terminators." Proceedings of the National Academy of Sciences 103, no. 52 (2006): 19635-19640.

https://www.fjc.gov/content/361255/dna-sequencing-technologies-how-they-differ-and-why-it-matters

หรือติดต่อแผนก Technical support e-mail: TAS@3nholding.com หรือฝ่ายงาน Life Science product โทร 02-274-8331

บทความโดย: บงกชชนก ด่านรุ่งเจริญ
ตำแหน่ง: Technical Application Specialist