[논문 리뷰] The evolution of next-generation sequencing technologies

O.G. Akintunde, Trichina Tucker외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 15.

Genetics, Bioinformatics, and Biomedical Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 초기 샹거 시퀀싱에서 현대의 고속 통합 플랫폼에 이르기까지 차세대 시퀀싱(NGS) 기술의 역사를 추적하며, 형광 염색체, PCR 증폭, 자동화 시스템과 같은 기술적 발전을 상세히 기술한다. 이러한 혁신들이 빠르고 비용 효율적인 DNA 시퀀싱을 가능하게 하여, 게놈학, 생물공학 및 헬스케어 분야의 진전을 가속화했으며, 정확도와 확장성 향상에 대한 향후 잠재력도 지속적으로 존재한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 1950년대부터 현재까지 DNA 시퀀싱 기술의 연대기적 기록을 제시하기 위해.
• 저속도에서 고속도로의 전환을 가능하게 한 기술적 돌풍을 분석하기 위해.
• PCR, 형광 라벨링, 자동화와 같은 핵심 기법이 시퀀싱 속도와 확장성 향상에 기여한 역할을 평가하기 위해.
• 현재 NGS 플랫폼의 환경과 생물의학 연구 및 산업 분야의 응용을 검토하기 위해.
• 현재 남아 있는 과제와 정확도, 비용, 접근성 향상을 위한 향후 방향을 식별하기 위해.

제안 방법

• 1950년대부터 2023년까지 DNA 시퀀싱 분야의 역사적 및 기술적 발전에 대한 체계적 검토.
• 방사성 라벨링에서 형광 염색체로의 전환과 수동에서 자동화로의 전환을 포함한 핵심 기술 전환 분석.
• 표적 DNA의 증폭을 가능하게 하여 감도와 처리 능력을 향상시키기 위해 PCR 통합의 검토.
• 시퀀싱-바이-합성, 시퀀싱-바이-리가이드 등 핵심 기법을 기반으로 한 현대 NGS 플랫폼 평가.
• 세대별 시퀀싱 기술의 시속, 리드 길이, 비용 절감 추세에 대한 자료 통합.
• 출판된 문헌과 기술 보고서를 활용하여 NGS 플랫폼의 진화 및 응용을 맵핑하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 샹거 시퀀싱에서 차세대 시퀀싱 플랫폼으로의 전환은 어떻게 이루어졌으며, 주요 기술적 추진력은 무엇이었는가?
• RQ2 PCR 증폭과 형광 라벨링은 시퀀싱 처리 능력 향상과 비용 절감에 어떤 역할을 했는가?
• RQ3 주요 NGS 플랫폼 간의 핵심 기술적 차이점은 무엇이며, 이는 시퀀싱 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 NGS 기술은 생물의학 연구, 생물공학 및 임상 적용 분야에 어떻게 변화를 주었는가?
• RQ5 현재 NGS 기술에 남아 있는 제약은 무엇이며, 향후 개선이 필요한 분야는 무엇인가?

주요 결과

• 방사성 라벨링에서 형광 염색체로의 전환은 감도 향상과 함께 자동화를 가능하게 하여 DNA 시퀀싱의 정밀도를 크게 향상시켰다.
• PCR의 통합은 표적 DNA의 증폭을 가능하게 하여 신호 감지 능력을 향상시키고 고속도 시퀀싱의 실현 가능성을 높였다.
• 시퀀싱-바이-합성 및 기타 NGS 방법의 발전으로 인해 수천 개의 염기서열을 이전 방법 대비 수 시간 내에 시퀀싱할 수 있게 되었다.
• 고속도 NGS 플랫폼은 전장 게놈 시퀀싱에 소요되는 시간과 비용을 크게 줄여 연구 및 임상 적용의 가속화를 이끌었다.
• 다양한 진전에도 불구하고, 특히 장거리 및 단일 분자 시퀀싱 분야에서 정확도, 리드 길이, 오류율 향상에 여전히 과제가 남아 있다.
• NGS 기술은 계속해서 게놈학, 생물공학, 개인 맞춤 의료 분야의 혁신을 이끌고 있으며, 글로벌 헬스케어와 경제에 광범위한 영향을 미치고 있다.