[論文レビュー] The evolution of next-generation sequencing technologies

O.G. Akintunde, Trichina Tucker+1 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2023

Genetics, Bioinformatics, and Biomedical Research被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、初期のサンガー法シーケンシングから現代の高スループットプラットフォームに至る次世代シーケンシング（NGS）技術の歴史的進化をたどり、蛍光染料、PCR増幅、自動化システムなどの技術的進歩を詳細に述べている。これらのイノベーションにより、迅速かつ低コストのDNAシーケンシングが可能となり、ゲノム研究、バイオテクノロジー、医療分野における進展が加速した。今後、正確性とスケーラビリティのさらなる向上の余地がある。

ABSTRACT

The genetic information that dictates the structure and function of all life forms is encoded in the DNA. In 1953, Watson and Crick first presented the double helical structure of a DNA molecule. Their findings unearthed the desire to elucidate the exact composition and sequence of DNA molecules. Discoveries and the subsequent development and optimization of techniques that allowed for deciphering the DNA sequence has opened new doors in research, biotech, and healthcare. The application of high-throughput sequencing technologies in these industries has positively impacted and will continue to contribute to the betterment of humanity and the global economy. Improvements, such as the use of radioactive molecules for DNA sequencing to the use of florescent dyes and the implementation of polymerase chain reaction (PCR) for amplification, led to sequencing a few hundred base pairs in days, to automation, where sequencing of thousands of base pairs in hours became possible. Significant advances have been made, but there is still room for improvement. Here, we look at the history and the technology of the currently available next-generation sequencing platforms and the possible applications of such technologies to biomedical research and beyond.

研究の動機と目的

• 1950年代から現在に至るDNAシーケンシング技術の年表的記録。
• 低スループットから高スループットシーケンシングへの移行を可能にした技術的マイルストーンの分析。
• PCR、蛍光ラベリング、自動化といった主要技術が、シーケンシング速度とスケーラビリティをどのように向上させたかの評価。
• 現在のNGSプラットフォームの状況と、バイオメディカル研究および産業分野における応用の検討。
• シーケンシングの正確性、コスト、アクセス性を向上させるための残された課題と今後の方向性の同定。

提案手法

• 1950年代から2023年までのDNAシーケンシング分野の歴史的および技術的発展に関する体系的レビュー。
• ラジオアイソトープラベリングから蛍光染料への移行、および手動から自動化への移行といった主要な技術的転換の分析。
• DNA増幅のためのPCR統合による感度とスループットの向上の検証。
• シーケンシング・バイ・シンセシス、シーケンシング・バイ・リガーゼなど、主なメソドロジーに基づく現代のNGSプラットフォームの評価。
• 世代ごとのシーケンシング速度、リード長、コスト削減の傾向に関するデータの統合。
• 出版済みの文献および技術報告書を用いて、NGSプラットフォームの進化とその応用をマップ化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サンガー法シーケンシングから次世代シーケンシングプラットフォームへの移行はどのように行われ、どのような技術的要因がその背景にあったか？
• RQ2 PCR増幅と蛍光ラベリングは、シーケンシングスループットの向上とコスト削減にどのような役割を果たしたか？
• RQ3 主なNGSプラットフォーム間の核心的な技術的差異は何か？ それらはシーケンシング性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 NGS技術は、バイオメディカル研究、バイオテクノロジー、臨床応用にどのように変化をもたらしたか？
• RQ5 現在のNGS技術に残された制限とは何か？ 今後の改善に必要な点は何か？

主な発見

• ラジオアイソトープから蛍光染料へのラベリングの移行により、検出感度が著しく向上し、DNAシーケンシングの自動化が可能になった。
• PCRの統合により、標的DNAの増幅が可能となり、信号検出感度が向上し、高スループットシーケンシングが現実のものとなった。
• シーケンシング・バイ・シンセシスなどの進歩により、数時間で数千塩基をシーケンス可能となった。これは、従来の方法が数日を要したのと対照的である。
• 高スループットNGSプラットフォームのおかげで、全ゲノムシーケンシングに要する時間とコストが大幅に削減され、研究および臨床応用の加速が達成された。
• 顕著な進歩にもかかわらず、特に長リードおよび単分子シーケンシング分野において、正確性、リード長、誤差率の向上に課題が残っている。
• NGS技術は、ゲノム研究、バイオテクノロジー、パーソナライズド・メディスン分野におけるイノベーションを牽引し続け、グローバルヘルスおよび経済に広範な影響を与えている。