Chương 4
Ta nói nhiều về “đọc” DNA — nhưng đọc ra thứ tự A, T, G, C bằng cách nào? Câu chuyện đi qua bốn thế hệ công nghệ, mỗi thế hệ một ý tưởng, và kết lại ở thứ đã làm genomics hiện đại khả thi.
Cần nắm nguyên lý từng thế hệ và biết so sánh. Liên hệ Gene A–Z Phần 13 và SHPT Ch.7 (ứng dụng).
Có hai phương pháp đời đầu (giữa–cuối thập niên 1970). Maxam-Gilbert dùng hóa chất cắt DNA tại từng loại base rồi đọc kích thước mảnh. Nhưng phương pháp thắng thế và thống trị nhiều thập kỷ là Sanger, với một ý tưởng rất thông minh gọi là “kết thúc chuỗi”.
Nhớ từ SHPT Ch.3: để nối thêm một nucleotide, polymerase cần một nhóm 3′-OH ở đầu để “móc” tiếp. Sanger trộn vào phản ứng một ít ddNTP — loại nucleotide thiếu nhóm 3′-OH. Khi polymerase lỡ gắn một ddNTP, chuỗi dừng lại ngay tại đó (vì không còn chỗ móc tiếp). Làm vậy nhiều lần, ta thu được vô số mảnh dài ngắn khác nhau, mỗi mảnh kết thúc tại một vị trí base cụ thể → xếp chúng theo chiều dài là đọc ra trình tự.
Vì ddNTP thiếu nhóm 3′-OH — mà đó chính là chỗ để nối nucleotide kế tiếp. Không có “móc” 3′-OH thì không nối thêm được, chuỗi dừng. Giống một toa tàu cụt móc nối: gắn vào là cả đoàn tàu dừng tại đó.
Maxam-Gilbert cắt DNA bằng hóa chất đặc hiệu cho từng base, rồi đọc kích thước mảnh:
| Hóa chất | Cắt tại |
|---|---|
| Dimethyl sulfate | G |
| Formic acid | A (và G) |
| Hydrazine | C + T |
| Hydrazine + NaCl | C |
Vì dùng hóa chất độc và khó tự động hóa, nó dần nhường chỗ cho Sanger (dựa trên enzyme, sạch hơn, dễ máy hóa hơn).
Bước tiến tiếp theo là tự động hóa phương pháp Sanger: thay chất phóng xạ bằng thuốc nhuộm huỳnh quang (mỗi loại ddNTP một màu), đọc bằng laser. Chính công nghệ “thế hệ 1” này đã hoàn thành Dự án Bộ gen Người — nhưng mỗi lần chỉ đọc được một đoạn vài trăm đến ~1000 base.
Rồi đến cú nhảy vọt: giải trình tự thế hệ mới (NGS). Thay vì đọc một đoạn mỗi lần, NGS đọc hàng triệu đoạn song song cùng lúc. Thông lượng khổng lồ này kéo chi phí một bộ gen người từ ~3 tỷ USD xuống còn vài trăm USD — và đó chính là động lực làm nên toàn bộ genomics hiện đại.
| Sanger (thế hệ 1) | NGS (thế hệ mới) | |
|---|---|---|
| Thông lượng | Thấp (một đoạn mỗi lần) | Rất cao (hàng triệu đoạn song song) |
| Chi phí/bộ gen | Cao | Thấp |
| Hợp cho | Đọc một đoạn ngắn, xác nhận | Cả bộ gen, RNA-seq, metagenomics |
“Đọc nhiều đoạn cùng lúc” (thông lượng cao) — thực ra mỗi đoạn NGS thường ngắn hơn Sanger. Sức mạnh nằm ở chỗ chạy hàng triệu đoạn song song: Sanger là một làn đường, NGS là triệu làn chạy một lúc → rẻ và nhanh hơn hẳn.
Nhờ NGS mà có RNA-seq (Ch.3), giải trình tự khối u để tìm thuốc trúng đích, chẩn đoán bệnh di truyền, metagenomics (đọc DNA của cả một quần xã vi sinh), và truy vết biến thể virus trong dịch bệnh. “Thế hệ 3” mới hơn (Nanopore, PacBio) đọc được những đoạn rất dài và đọc phân tử đơn — bổ khuyết cho NGS vốn đọc ngắn, giúp ráp bộ gen phức tạp dễ hơn.
Bấm 🔊 để nghe phát âm trên YouGlish.
| English | Tiếng Việt / giải thích |
|---|---|
| DNA sequencing | Giải trình tự DNA |
| Maxam-Gilbert sequencing | Giải trình tự hóa học |
| Sanger / Chain-termination | Giải trình tự Sanger / kết thúc chuỗi |
| ddNTP (dideoxynucleotide) | Nucleotide thiếu 3′-OH (chặn kéo dài) |
| Automated sequencing | Giải trình tự tự động (huỳnh quang, laser) |
| Next-generation sequencing (NGS) | Giải trình tự thế hệ mới |
| High-throughput | Thông lượng cao (song song) |
| Read length | Độ dài đoạn đọc |