Yeni Nesil Dizileme (NGS), çeşitli yeni platform teknolojilerini kullanarak çok daha düşük maliyetle büyük bir etki yaratan, büyük ölçüde paralel bir şekilde yüksek verimli sıralamayı ifade eder. Ultra yüksek verimi, ölçeklenebilirliği ve hızıyla NGS, DNA ve/veya RNA dizileri gerektiren birçok uygulamaya olanak sağlar. Uygulamalar arasında, dizi birleşimi için karmaşık algoritmalar gerektiren çoklu, büyük kromozomlara sahip organizmaların tam genom dizilimi (WGS), RNA ekspresyonunun zamansal ve uzaysal modellerinin analizi, biyoinformatik araçlar kullanılarak yeni genomların ve bunların kodlanmış genlerinin açıklanması, genomlardaki epigenetik değişiklikler ve genetik hastalığa yatkınlığı veya arzu edilen genetik özelliklerin varlığını öngören tek nükleotid polimorfizmleri ve genetik imzaların analizleri. NGS ayrıca viral, mikrobiyal, bitki veya insan kaynaklı olsun, popülasyonların biyolojik çeşitliliği ve evrimsel geçmişine dair derin bilgiler sağlar.
Sanger ve tarafından geliştirilen ilk nesil DNA dizileme teknolojileri
1970'lerin sonlarında Maxam ve Gilbert, tarafından geliştirilen otomatik DNA dizileyicilerin öncülüğünü yaptı. Uygulamalı Biyosistem Cihazları (ABI), DNA sentezi sırasında A, G, C veya T nükleotidlerinin dahil edilmesini izlemek için olağan dört ayrı reaksiyonu kullanmak yerine, tek reaksiyonlu sekanslama için Sanger'in dideoksinükleotit zincir sonlandırma kimyasını floresan boya sonlandırıcı reaktiflerle birleştirdi. O zamandan bu yana, çok sayıda platform teknolojisi dalgası (ikinci, üçüncü ve şimdi dördüncü nesil) şu anda NGS olarak bilinen şeye yol açtı.
NGS'deki Next kelimesi, her nesil arasında gerçekleştirilen teknolojik sıçramayı ifade eder. Birinci nesil dizilemede klonlamanın en sıkıcı adımı, yüz milyonlarca kısa DNA fragmanının büyük ölçüde paralel polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) amplifikasyonu ile değiştirilmesiyle tamamen ortadan kaldırıldı. İkinci nesil cihazlarda kullanılan platform teknolojilerinin örnekleri arasında pirosekanslama (Roche 454), tersinir sonlandırma (Illumina), ligasyon (Oligonükleotit Ligasyonu ve Tespiti veya SOLiD ile Sıralama) (Life Technologies ve Applied Biosystems Inc), nanoball/ligasyon (Tam Genomik ve BGI Shenzhen) ve iyon tespiti (Ion Torrent).
Üçüncü nesil, uzun DNA moleküllerini sayma boncukları gibi moleküler gözeneklerden yavaşça iterek amplifikasyon adımından tamamen kurtuldu. Üçüncü nesil makineler, tek moleküllü gerçek zamanlı (SMRT hücre) teknolojisini (Pacific Biosciences) ve tek moleküllerin nano gözenek dizilimini (Oxford Nanopore Technologies) içeriyordu. Bazen yerinde dizileme olarak da adlandırılan dördüncü nesil teknoloji, numune hazırlamayı tamamen ortadan kaldırmayı amaçlar ve RNA ve DNA dizilerinin uzaysal konumunu hücre altı çözünürlükte korumaya çalışır, böylece dizi okumalarının bu konumlara eşlenmesini sağlar.
NGS teknolojileri, devasa miktardaki yedekli ve parçalı dizi verisinden bilgi çıkarmak ve işlemek için hesaplama becerisindeki paralel ilerlemelere güvenmektedir. Bu nedenle NGS'nin başarısı, bulut bilişim, görselleştirme araçları ve biyoinformatik algoritmalardaki paralel ilerlemelerle güçlendirilmiştir. Örnek olarak, COVİD-19 çağında bu yenilikler, bilim adamlarının, canlıların kökeni gibi yeni biyolojik sorulara yanıt aramalarına olanak tanıdı. SARS CoV 2, dünyaya nasıl yayıldığı, gerçek zamanlı mutasyon oranı, diğer koronavirüslerle ilişkisi ve salgından sonraki haftalar ila birkaç ay içinde dünyaya yayılırken nasıl bir evrim geçirdiği.
NGS, bulut bilişim ve CRISPR-Cas9 tabanlı mühendislik araçlarındaki paralel ilerlemeler, kaliteli veri fazlası ile birleştiğinde, NGS'nin faydalarını toplumsal amaçlara dönüştürebilecek birçok farklı uygulamanın yeniliği için mükemmel bir fırtına yarattı.
NGS'nin ortaya çıkardığı çeşitli uygulamalar, hem tıbbi uygulama içinde hem de dışında insan sağlığının her yönünü etkileme potansiyeline sahiptir. Ek olarak, NGS halihazırda tarımsal üretkenlikte devrim yaratıyor ve bağırsak, hava, su ve toprak mikrobiyomlarının rollerinin değerlendirilmesine yardımcı oluyor.
Bir diğer alan ise özellikle multigenik bozukluklara yönelik yeni hastalık genlerinin keşfidir. NGS, Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM) veritabanında bildirilen nadir genetik bozukluklarda önemli bir artışa katkıda bulunmuştur (https://omim.org/), 15000'den fazla genin temsil edildiği.
NGS'nin tıbbi uygulamadaki önemli bir etkisi, kansere yönelik teşhis/prognostikler, genetik/kalıtsal bozukluklar için invazif olmayan doğum öncesi testler ve bulaşıcı hastalıklardaki iyileşmedir.
Hassas tıpta NGS, tedavilerin genomik ve etnik çeşitliliğe dayalı olarak özelleştirilmesine olanak tanıdı. Örneğin, kan sulandırıcı varfarinin dozu, genom çapında ilişkilendirme çalışmaları ile doğrulanan spesifik genotiplere göre rutin olarak ayarlanıyor ve hasta sonuçlarını önemli ölçüde iyileştiriyor. Yalnızca BRAF (V600E) mutasyonuna sahip tümörlere karşı etkili olan BRAF (V5185426E) kinaz inhibitörü RO600 gibi kişiselleştirilmiş kanser ilaçlarının geliştirilmesi ve EGF reseptöründeki mutasyonlara dayanan ilk kişiselleştirilmiş ilaç olan erlotinib'in onaylanması, NGS tabanlı prognostik örnekleri. Belirli bir kişiye uygulanabilirliğini belirlemek için bir ilaca eşlik eden bir teşhis testinin kullanıldığı tamamlayıcı teşhis alanı, YNS'den etkilenen başka bir tıbbi uygulama alanıdır.
Klinik mikrobiyolojide, bulaşıcı hastalıkların bakteri, mantar veya virüslerden kaynaklanıp kaynaklanmadığına bakılmaksızın, semptomların ortaya çıkmasını beklemek veya durumları ele almak yerine, yeni bir patojenin varlığını ve NGS enfeksiyonunun erken belirtilerini veya etkilerini tanımlamak genellikle daha kolaydır. Semptomların belirli bir patojene kolayca işaret etmediği durumlarda. Bunun mükemmel bir örneği, virüse sahip olabilecek birçok asemptomatik taşıyıcının hiçbir semptom göstermeseler bile NGS tarafından tespit edilebildiği mevcut COVID19 durumudur. Patojenin kültürlenmesine dayalı teşhis uygulamaları günler sürebilir ve büyük ihtimalle yerini NGS'ye bırakacaktır.
İnsan vücudu, insan sağlığı ve refahında önemli rol oynayan birçok simbiyotik, patojenik veya komensal mikroplara ev sahipliği yapar. 16S ribozomal RNA'nın metagenomik NGS'si, normal veya hastalıklı insan hastalarda mikrobiyal popülasyonları ve insan mikrobiyomunda bunların bozulmalarını tanımlamak için kullanılan bir araçtır. Bu alan ilerledikçe ve hastalıklardaki mikrobiyom bozukluklarının sonuçlarını anladıkça, mikrobiyom bileşiminin manipülasyonu yoluyla belirli hastalıkları tedavi etmek için terapötik müdahaleler kullanılıyor.
NGS aynı zamanda tarımın çehresini de dönüştürüyor ve bitkilerde ve hayvanlarda arzu edilen özelliklerin ve üreme kararlarının tanımlanmasını, izlenmesini ve yayılmasını mümkün kılıyor. Dünya gıda üretiminin %40'ı hastalık ve zararlılar nedeniyle kaybedilirken NGS, bitki hastalıklarının kaynağının izlenmesine yardımcı oluyor ve bu tür hastalık veya zararlıları ortadan kaldırmanın yollarını öneriyor. Bu, arazi kullanımının azaldığı, dünya nüfusunun arttığı ve iklim değişikliğinin etkisinin mahsullerin karşılaştığı biyotik ve abiyotik stresleri artırdığı bir dönemde tarımsal verimliliği artırma potansiyeline sahiptir. Pek çok büyük küresel mahsulün WGS'si geçtiğimiz on yılda tamamlandı; bunun yanı sıra manyok, tatlı patates, tef, güvercin bezelyesi, yer fıstığı ve amarant da dahil olmak üzere gelişmekte olan dünyayla spesifik olarak ilgisi olan birkaç mahsulün WGS'si tamamlandı.
Son olarak NGS, bitki ve ürün çeşitlerini geliştirmek için geleneksel bitki ıslahında devrim yaratma potansiyeline sahip yeni gen düzenleme, baz düzenleme ve birincil düzenleme teknolojilerini mümkün kıldığından tarım üzerinde büyük bir etkiye sahiptir.
Yazarlar: Dr. Subha Srinivasan, Tata Genetik ve Toplum Enstitüsü & Biyoenformatik ve Uygulamalı Biyoteknoloji Enstitüsü ve Dr. Suresh Subramani, Tata Genetik ve Toplum Enstitüsü, Hindistan ve California Üniversitesi, San Diego, ABD
Dr. Suresh Subramani Hakkında
Dr. Suresh Subramani doktora derecesini Berkeley, ABD'deki Kaliforniya Üniversitesi'nden (UC) almıştır. Stanford Üniversitesi'nde (1982-1979) Nobel Ödülü sahibi Paul Berg'in laboratuvarında doktora sonrası çalışmasını tamamladıktan sonra 81 yılında UC San Diego'daki fakülteye katıldı. Pek çok onur ve ödülün sahibidir ve akademi ve biyoteknoloji endüstrisinde birçok liderlik rolünde yer almıştır. Halen Seçkin Profesör (Emeritus) ve Tata Genetik ve Toplum Enstitüsü'nün (TIGS, UC San Diego, ABD) ve Kök Hücre Biyolojisi ve Rejeneratif Tıp Enstitüsü'nün (inStem), Bangalore, Hindistan'ın Küresel Direktörüdür. ve UC San Diego'da Moleküler Biyoloji alanında Tata Şansölyesi Profesörlüğüne sahiptir.
Dr. Subha Srinivasan Hakkında
Dr. Subha Srinivasan, Biyoinformatik ve Uygulamalı Biyoteknoloji Enstitüsü'nde (IBAB) TIGS'nin biyoenformatik araştırma çalışmalarına liderlik etmektedir. Doktorasını Madras Üniversitesi Biyofizik İleri Araştırma Merkezi'nde tamamladı ve doktora sonrası araştırmasını New York, ABD'deki Roswell Park Memorial Enstitüsü'nde tamamladı. Alternatif eklemeye yönelik mikrodizi hizmetlerinde uzmanlaşmış Jivan Biologics'i kurdu ve Bilimsel Direktörü olarak görev yaptı. IBAB'daki ekibi, kanser biyobelirteçlerinin keşfi, bitki ve böcek genomiği, kök metagenomisi, beslenme genomiği ve invaziv olmayan teşhis alanlarında genomik ve biyoinformatik teknikleri uygulamaktadır.
Tata Genetik ve Toplum Enstitüsü Hakkında
Tata Genetik ve Toplum Enstitüsü (TIGS), özellikle Hindistan'a ve Hint nüfusuna fayda sağlamak amacıyla insan sağlığı ve tarım alanındaki araştırmalarda bilimsel ilerlemeler kaydetmeye kararlı bir kurumdur. Enstitü, Hindistan'la ilgili acil ve sinerjik çaba gerektiren alanlar üzerinde çalışıyor. Bu, Hindistan toplumuna fayda sağlamak amacıyla 125 yılı aşkın bir süredir eğitim, altyapı, sağlık, bilgi teknolojileri ve diğer teknolojilere yapılan bu tür yatırımlara öncülük eden, Hindistan'ın en eski, mezhepçi olmayan, hayırsever kuruluşu olan Tata Trusts tarafından yapılan bir diğer önemli yatırımdır. Tata Trusts'ın hayırseverlik vizyonuna uygun olarak TIGS'deki araştırma grupları, Hindistan'da sağlık güvenliği ve gıda güvenliğini iyileştirmek için genetik mühendisliğinde yeni araç ve tekniklerin uygulanması üzerinde çalışıyor.
