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带您了解基因测序技术的发展

2023.11.09
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赵婧一

致力于为分析测试行业奉献终身

  在生物多样性急剧减少和物种消失的时代,有时被称为“第六次大灭绝”或“全新世灭绝”,人们对开发有效的生物多样性研究和监测工具提出了很高的要求。迄今为止,世界各地的分类学家已经描述了超过170万个物种。然而,这只是地球上预计存在的数百万生物的一小部分。当试图使用传统的基于形态学的方法对所有物种进行分类时,生物多样性的绝对规模是一个巨大的挑战。据估计,仅描述500万种动物物种的成本就可能高达2500亿美元,需要6个世纪才能完成。

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  基于形态的分类学充满了局限性,例如难以描绘形态上隐蔽的物种以及合格的分类学家数量的减少。这些限制产生了对更多创新分类法方法的需求。2003年,Paul Hebert和他的同事展示了采用基于基因组的方法进行分类鉴定的方法。这种方法,被称为“DNA条形码”,是为了利用大多数真核生物中存在的短而保守的基因区域,提供快速准确的生物鉴定而开发的。从那时起,DNA条形码已成为生物有机体快速鉴定的一种既定方法。

  今天,第一代桑格测序被广泛认为是DNA条形码项目的“黄金标准”。当测序少于800个样本时,它仍然是一种具有成本效益和准确的方法。然而,近年来,测序技术发展迅速。高通量,下一代测序(NGS)技术,如Illumina或Ion Torrent,使用户能够在单个测序实验中多重处理数百个样品,从而降低了成本,同时产生高度准确的测序数据。当将大量扩增子(数千个样本)合并到一次运行中时,NGS的成本效益变得更加经济实惠,尽管管理所有样本和扩增子对于下游分析可能变得非常困难。然而,NGS测序技术的局限性在于它们只能对大约100-600 bp的短DNA片段进行测序。这比大多数首选的DNA条形码(如CO1 (650 bp))要小,尽管最近的一项研究指出,长产品(主要基于引物选择和Sanger测序限制,而不是严格的测试)不再需要准确性。最近,高通量第三代测序(TGS)平台已经发布,使研究人员能够对更长的reads进行测序,克服了NGS方法的局限性,同时保留了其优势,即对数百个样本进行多路复用,并为同一样本获得更多数据点。领先的TGS技术由太平洋生物科学公司(PacBio)和牛津纳米孔技术公司(ONT)提供。

  PacBio Sequel系列测序仪(Sequel I, II和IIe)使用单分子实时(SMRT)测序来生成高精度的长读序列。在SMRT测序中,发夹接头连接到双链DNA模板上,形成一组封闭的环状模板,称为SMRTbell库。测序引物被退火到SMRTbell文库,以促进DNA聚合酶的结合,DNA聚合酶作为测序细胞底部的锚点,并标记出测序的初始位点。该循环模板被反复测序以产生子reads,然后在循环共识测序(CCS)模式下使用,以产生精度大于99.9%的HiFi reads。

  ONT技术依赖于嵌入在导电膜中的蛋白质纳米孔。当单个DNA链通过孔时,它们引起离子电流的变化,然后用于实时表征每个核苷酸碱基。该技术有多种配置的测序流式细胞和化学试剂,从可扩展的测序仪(例如Flongle, MinION流式细胞的廉价低容量替代品)到最高通量的PromethION流式细胞。目前,ONT使用新的Q20+化学和改进的碱基调用软件,拥有99%的模态原始读取精度。

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