Phát triển phần mềm có thể cắt giảm thời gian và chi phí giải trình tự gene

Một nhóm nghiên cứu của trường đại học Johns Hopkins đã phát triển một phần mềm mới hứa hẹn có thể làm cách mạng hóa cách giải trình tự DNA, khiến cho quá trình này diễn ra nhanh hơn và ít chi phí hơn để lập bản đồ mọi hệ gene từ nấm men đến gene ung thư.

Phần mềm này được miêu tả một cách chi tiết trong bài báo “Targeted nanopore sequencing by real-time mapping of raw electrical signal with UNCALLED” xuất bản trên Nature Biotechnology, có thể được sử dụng trong các thiết bị giải trình tự gene cơ động để góp phần làm tăng tốc năng lực thực hiện các xét nghiệm di truyền và chẩn đoán bệnh lý bên ngoài phòng thí nghiệm. Các mục tiêu của công nghệ mới là thu thập và giải trình tự các gene đặc biệt mà không cần phải chuẩn bị mẫy và không cần phải sắp xếp vật liệu di truyền xung quanh như các phương pháp tiêu chuẩn vẫn thường đòi hỏi.

“Tôi nghĩ nó sẽ làm thay đổi mãi mãi cách giải trình tự DNA được thực hiện”, theo nhận xét của Michael C. Schatz, một phó giáo sư Bloomberg Distinguished về khoa học máy tính và sinh học, đồng thời là tác giả chinh của công trình.

Quá trình xử lý mới làm giảm thời gian cần có để định hình các đột biến di truyền, từ 15 ngày đến khoảng ba ngày. Điều này cho phép các nhà khoa học hiểu và chẩn đoán các điều kiện một cách nhanh chóng đồng thời có thể tiết kiệm thời gian và tiền bạc bằng việc loại đi khâu chuẩn bị và phân tích bổ sung  Điều đó cho phép các nhà khoa học hiểu và chẩn đoán điều kiện gần như ngay lập tức, đồng thời tiết kiệm thời gian và tiền bạc bằng cách loại bỏ việc chuẩn bị và phân tích bổ sung.

“Trong hệ gene học ung thư, có hàng tá gene được biết là làm tăng nguy cơ ung thư. Tuy nhiên với một giải trình tự gene tiêu chuẩn, anh có thể phải giải trình tự toàn bộ hệ gene để đọc ra một vài gene như vậy”, Schatz nói và cho biết thêm việc giải trình tự thích nghi cho phép các nhà nghiên cứu “tìm và chọn những phân tử mà mình muốn đọc giữa những thứ cần bỏ qua”.

Giải thích về cách phát minh làm tăng tốc giải trình tự gene này, Schatz đã liên hệ với việc phát hiện một bộ phim trên Netflix. Phương pháp tiêu chuẩn cũ về giải trình tự gene có thể đòi hỏi một số người phải xem từng giây của từng bộ phim để tìm cái họ cần còn giải trình tự gene mới có thể giúp loại đi nhiều giờ xemnội dung không liên quan, nhận ra một cách nhanh chóng những bộ phim không mong muốn để chuyến sang mục tiêu tiếp theo.

Thuật toán của phần mềm mã nguồn mở này do Sam Kovaka, một nghiên cứu sinh Johns Hopkins tạo ra. Nó được gọi là UNCALLED (Utility for Nanopore Current Alignment to Large Expanses of DNA). Phải mất tới hai năm cho việc viết mã, phát triển và kiểm tra phần mềm, một năm khac để tinh chỉnh lại kết quả để xuất bản, Kovaka cho biết.

“UNCALLED cho phép chúng tôi dễ dàng lựa chọn giải trình tự gene đích”, anh cho biết thêm. “Sự thật là các nhà nghiên cứu có thể định hướng bất cứ vùng nào thuộc bộ gene mà không phải mất thêm chi phí như phương pháp thông thường, và cũng có thể dễ dàng thay đổi các mục tiêu bằng việc chạy một lệnh khác”.

Quá trình nhận diện các phân tử DNA khi chúng lướt qua các lỗ chứa điện nhỏ bé, hay còn gọi là lỗ nano (nanopore) bên trong các thiết bị được gọi là giải trình tự lỗ nano, vốn là các phiên bản có kích thước như điện thoại thông minh của các cỗ máy cồng kềnh trong phòng thí nghiệm. Phần mềm này đọc dữ liệu và kiểm tra nó lần nữa các trình tự tham chiếu của hệ gene cụ thể trong chớp mắt (một phần nhỏ của một giây). Các phân tử mà các nhà nghiên cứu muốn kiểm tra được phép vượt qua lỗ nano này để dược đánh dấu nhưng nếu dò được một phân tử không cần thiết thì phần mềm đảo điện áp trong lỗ nano, qua đó giúp loại bỏ phân tử đó đi để khỏi “chiếm chỗ” của phân tử tiếp theo.

“Nó như là người canh cửa một hộp đêm, chỉ cho phép những vị khách được mời trong danh sách có sẵn vào cửa trong khi loại bỏ phần còn lại với một súng bắn điện”, Schatz giải thích.

Nhóm nghiên cứu này đã thực hiện hai thử nghiệm với UNCALLED.

Thử nghiệm thứ nhất chứng tỏ phần mềm có thể thúc đẩy việc giải trình tự gene của 148 gene đã biết để nhận biết một cách nhanh chóng và chính xác các gene đã biết tất cả các biến dị của chúng chỉ một lần chạy qua thiết bị giải trình tự cầm tay. Phần mềm đã có thể lập danh mục theo thời gian thực hàng tá biến dị với cấu trúc phức tạp trong các gene ung thư mà có thể bị bỏ qua trong phương pháp thông thường.

Sau đó họ chứng tỏ cách phần mềm này có thể giải trình tự chọn lọc các loài đã biết được thu thập từ một môi trường như các vi sinh vật sống trên da hoặc trong một bể nước. Bằng việc loại các phân tử từ những vi sinh vật đã biết như E. Coli chẳng hạn, phần mềm này đã có thể giải trình tự một cách hiệu quả các phân tử được giữ lại.

UNCALLED có thể hoạt động trên một phần cứng tiêu chuẩn sử dụng giải trình tự lỗ nano mà không cần đến các hóa chất đặc biệt. Việc lựa chọn các gene hoặc hệ gene để giải trình tự được kiểm soát toàn bộ trong phần mềm và có thể thay đổi bất cứ lúc nào.

Thanh Nhàn dịch

Nguồnhttps://phys.org/news/2020-12-team-software-gene-sequencing.html

Tác giả