a.Nguyên lý công nghệ:
Công nghệ giải trình tự của Illumina sử dụng các array đơn dòng và công nghệ khóa dừng thuận nghịch cho việc giải trình tự trên diện rộng với độ chính các cao. Hệ thống giải trình tự linh hoạt, hiện đại cho phép thực hiện một loạt các ứng dụng nghiên
cứu genomics, transcriptomics, và epigenomics. Các template giải trình tự được cố đình trên bề mặt một flow cell (1 loại chip DNA) được thiết kế để tạo ra 1 dạng DNA hỗ trợ hoạt động các enzyme trong khi đảm bảo độ bền của các template bám trên bề mặt và mức độ bám trên bề mặt và mức độ bám không đặc hiệu thấp của các nucleotide đánh dấu huỳnh quang. Quá trình nhân bản trên pha rắn tạo ra tới 1000 bản copy giống hệt nhau của mỗi template trong trạn thái đứng sát nhai (trong đường kính < 1 µm). Vì quá trình này không bao gồm việc ghi ảnh, thực hiện thao tác cơ học, hay đặt các hạt bead vào các giếng, nên mật độ của các cluster trên đơn vị diện tích được đảm bảo.
Công nghệ giải trình tự bằng tổng hợp (SBS) sử dụng 4 nucleotide đánh dấu huỳnh quang để giải trình tự hàng chục triệu cluster đồng thời trên bề mặt flow-cell. Trong mỗi chu trình giải trình tự, một deoxynucloside triphosphate đánh dấu (dNTP) được thêm vào chuỗi acid nucleic. Nhãn huỳnh quang của nucleotide đóng vai trò như một khóa dừng phản ứng polymer hóa, do đó sau khi mỗi dNTP được tích hợp, dye huỳnh quang được ghi lại để xác định nucleotide và sau đó bị cắt bỏ để tổng hợp nucleotide tiếp theo. Vì cả 4 loại dNTP gắn khóa dừng tổng hợp thuận nghịch có mặt đồng thời dưới dạng đơn phân tử, sự cạnh tranh ngẫu nhiên giúp giảm thiểu việc tổng hợp mất cân đối. Việc xác định các base dựa trực tiếp vào cường độ tín hiệu đo được trong mỗi chu trình, từ đó giảm thiểu các sai số thô so với công nghệ khác. Kết quả cuối cùng là trình tự được đọc từng base một với độ chính xác cao, loại bỏ được các lỗi do đặc thù trình tự, cho phép quá trình giải trình tự mạnh mẽ trên toàn bộ genome, bao gồm các trình tự lặp lại, các homopolymer.
b.Ưu nhược điểm của hệ thống
Phương pháp giải trình tự của Illumina dựa trên số lượng cực lớn các đoạn đọc trình tự đồng thời. Khối lượng mẫu lớn và độ bao phủ đồng nhất được sử dụng để tạo ra một tổng thể và một độ tin cậy cao được đảm bảo trong việc xác định các biến dị di truyền. Khối lượng mẫu lớn cho phép sử dụng các công cụ thống kê và cho điểm, tương tự như các phương pháp truyền thống trong việc xác định thể đồng hợp, dị hợp và phân biệt các lỗi giải trình tự. Mỗi base đọc thô có một điểm số chất lượng do đó
phần mềm có thể sử dụng một số công cụ định lượng trong việc xác định sự sai khác và cho điểm số tin cậy.
Phần mềm thu nhận dữ liệu của Illumina cho phép người dùng xếp các trình tự vào một vùng tham chiếu (mẫu) của các ứng dụng giải trình tự. Được phát triển dựa trên sự hợp tác của các nhà nghiên cứu, phần mềm bao gồm các module thu nhận dữ liệu, xử lý và phân tích tạo thành một chuỗi thu nhận và xử lý dữ liệu với sự can thiệp ít nhất từ người sử dụng. Định dạng mở của phần mềm cho phép dễ dàng truy nhập dữ liệu tại nhiều giai đoạn của quá trình xử lý và phân tích dữ liệu sử dụng các giao duện chương trình đơn giản.
Các hóa chất công nghệ TruSeq mang những tiến bộ mới nhất trong công nghệ giải trình tự bằng tổng hợp. Từ quá trình chuẩn bị thư viện cho tới giải trình tự, các hóa chất TruSeq cho phép việc giải trình tự với độ chính xác dữ liệu cao nhất trong tất cả các ứng dụng. Với kết quả cao nhất các đoạn đọc không có lỗi, và hầu hết các base với điểm số chất lượng lớn hơn Q30, các nhà nghiên cứu có thể đạt được độ tin cậy cao nhất với dữ liệu cho đến các kết luận nghiên cứu của mình.
Một quy trình một chiều, khả năng tự đông hóa cao yêu cầu thời gian thao tác ít nhất. Với khả năng tạo ra hàng Gb dữ liệu DNA trong một lần chạy, ngay cả các genome lớn của các động vật có vú có thể giải trình tự trong một vài tuần thay vì một vài năm như trước kia. Khả năng chạy nhiều mẫu trên 1 flow cell đồng nghĩa với việc có thể thực hiện nhiều ứng dụng trong một lần chạy.
Một nhược điểm của hệ thống máy giải trình tự của Illumina đó là việc sử dụng các hóa chất và các thiết bị có giá thành ở mức cao. Chính vì vậy, với nhưng nghiên cứu ở quy mô nhỏ với kinh phí thấp sẽ ít có cơ hội được thực hiện trên hệ thống này.
Hình 1.1. Sơ đồ mô tả hoạt động của hệ thống giải trình tự của Illumina giai đoạn 1: tổng hợp
Hình 1.2. Sơ đồ mô tả hoạt động của hệ thống giải trình tự của Illumina giai đoạn 2: xác định trình tự
c.Ứng dụng của công nghệ Illumina
Ứng dụng của hệ thống giải trình tự Illumina là rất đa dạng, hệ thống này cho phép các nhà khoa học nghiên cứu nhiều lĩnh vực trong ngành khoa học sự sống. Illumina cho phép giải mã một hệ gen hoàn chỉnh trong thời gian ngắn, so sánh với các công nghệ trước đây. Cụ thể trong việc giải mã một hệ gen người hoàn chỉnh, với các công nghệ trước đây chúng ta phải mất tới 10 năm, thì hiện nay với công nghệ Illumina chúng ta chỉ mất tới 4 ngày. Công nghệ này cho phép ứng dụng trong lĩnh
vực y tế và bảo vệ sức khỏe cộng đồng, thông qua việc giải mã hệ gen của các vi sinh vật, các virus, các tác nhân gây bệnh; phân tích, phát hiện các điểm đột biến; phân tích các hệ gen phiên mã. Bên cạnh đó, với các nghiên cứu về biểu hiện gen phục vụ công nghiệp dược đáp ứng thuốc, nghiên cứu sự tác động của thuốc tới tế bào, Ứng dụng của Illumina cho phép thay thế các công cụ trước đây, cụ thể như microarray. Ngoài ra các công nghệ hiện nay vẫn đang cải tiến liên tục, cho phép phát triển nhiều hơn nữa các ứng dụng phục vụ trong đa dạng các lĩnh vực.