Next Generation Sequencing (NGS) và Ứng dụng trong Phát hiện Đột biến

        Thông tin báo cáo: Tiểu luận môn Sinh học phân tử trong lĩnh vực sức khỏe.
    

I. Lịch sử quá trình giải trình tự DNA

Hành trình giải mã mã lệnh của sự sống đã trải qua những cột mốc vĩ đại, đặt nền móng cho nền y học chính xác ngày nay:

1953: Watson & Crick công bố cấu trúc xoắn kép của DNA.
1977: Nobel Hóa học vinh danh Paul Berg, Walter Gilbert và Fred Sanger cho các công trình về DNA tái tổ hợp và giải trình tự DNA.
1990: Khởi động Dự án Giải trình tự gen người (Human Genome Project).
2003: Hoàn tất Dự án Giải trình tự gen người sau 13 năm thực hiện.

1. Phương pháp hóa học (Maxam-Gilbert)

Dựa trên việc phá hủy đặc trưng các nucleotide bằng hóa chất trên mạch DNA đã đánh dấu phóng xạ $P^{32}$. Các đoạn DNA sau khi cắt được phân tách bằng điện di trên gel polyacrylamide.

2. Phương pháp Sanger (Dideoxy)

Được coi là "tiêu chuẩn vàng" thế hệ thứ nhất. Đặc trưng là sử dụng dideoxynucleotide (ddNTP) thiếu nhóm $3'-OH$ tự do, khiến phản ứng tổng hợp DNA bị dừng lại một cách ngẫu nhiên, tạo ra các đoạn có kích thước khác nhau đúng 1 nucleotide.

[Image of Sanger sequencing method diagram]

II. Kỹ thuật giải trình tự thế hệ mới (NGS)

NGS ra đời như một cuộc cách mạng "song song hóa" khối lượng lớn, khắc phục các hạn chế về chi phí và thời gian của phương pháp Sanger truyền thống.

So sánh Sanger và NGS

Đặc điểm	Giải trình tự Sanger	Giải trình tự NGS
Công suất	Thấp (từng đoạn đơn lẻ)	Cực cao (hàng triệu đoạn cùng lúc)
Thời gian	Dài	Rất ngắn
Chi phí/Base	Cao	Rất thấp
Đột biến	Chỉ đột biến phổ biến	Phát hiện được đột biến tần suất thấp

        Quy trình chung của NGS gồm 3 bước:
        Chuẩn bị thư viện (Library Prep): Cắt DNA thành các đoạn fragment ngắn và gắn Adapter.
Khuếch đại (Amplification): Nhân bản các đoạn DNA bằng PCR nhũ tương hoặc Bridge PCR.
Giải trình tự (Sequencing): Đọc trình tự đồng thời hàng triệu cluster.

    

[Image of next generation sequencing workflow steps]

III. Các công nghệ NGS dẫn đầu

Pyrosequencing (Roche/454): Dựa trên nguyên lý phát hiện pyrophosphate (PPi) giải phóng tín hiệu ánh sáng.
Hệ thống Ion Torrent: Sử dụng chip bán dẫn để đo sự thay đổi pH khi ion $H^{+}$ được giải phóng trong quá trình tổng hợp.
Công nghệ Illumina (SBS): Sử dụng các nucleotide gắn huỳnh quang có thể đảo ngược. Đây là công nghệ phổ biến nhất hiện nay (chiếm >90% dữ liệu thế giới).

IV. Ứng dụng trong y học và phát hiện đột biến

1. Chẩn đoán tiền sinh không xâm lấn (NIPT)

Phân tích DNA tự do của thai nhi (cffDNA) trong máu mẹ để phát hiện sớm các hội chứng lệch bội nhiễm sắc thể như Down (Trisomy 21), Edwards (Trisomy 18), Patau (Trisomy 13) với độ chính xác >99% từ tuần thứ 9.

2. Cá thể hóa điều trị Ung thư

Hệ thống NGS giúp phát hiện các đột biến kháng thuốc (như KRAS trong ung thư phổi) thông qua sinh thiết lỏng (Liquid Biopsy), giúp bác sĩ lựa chọn phác đồ điều trị chính xác mà không cần xâm lấn mô u lớn.

3. Kháng thuốc ở vi khuẩn lao (M. tuberculosis)

Xác định nhanh các gen đột biến kháng thuốc phổ biến như rpoB (kháng Rifampin), katG (kháng Isoniazid), giúp tối ưu hóa phác đồ điều trị cho bệnh nhân lao đa kháng thuốc (MDR-TB).

V. Kết luận

NGS đã mở ra một kỷ nguyên mới cho sinh học phân tử, là công cụ đắc lực giúp con người hiểu rõ bộ gen và phát hiện sớm các biến đổi gây bệnh. Trong tương lai, NGS sẽ tiếp tục là hạt nhân của nền y học chính xác toàn cầu.

Next Generation Sequencing (NGS) - Phương pháp giải trình tự thế hệ mới và ứng dụng trong phát hiện đột biến.