Ion semiconductor sequencing
આયન સેમિકન્ડક્ટર સિક્વન્સિંગ એ ડીએનએના પોલિમરાઇઝેશન દરમિયાન મુક્ત થતા હાઇડ્રોજન આયનોની શોધ પર આધારિત ડીએનએ સિક્વન્સિંગની એક પદ્ધતિ છે. આ "સંશ્લેષણ દ્વારા અનુક્રમણિકા" ની એક પદ્ધતિ છે, જે દરમિયાન ટેમ્પલેટ સ્ટ્રાન્ડના ક્રમના આધારે પૂરક સ્ટ્રાન્ડ બનાવવામાં આવે છે. અનુક્રમિત કરવા માટેના નમૂના ડીએનએ સ્ટ્રાન્ડ ધરાવતા માઇક્રોવેલને ડીઓક્સીરીબોન્યુક્લિયોટાઇડ ટ્રાઇફોસ્ફેટ (ડીએનટીપી) ની એક જ પ્રજાતિથી ભરવામાં આવે છે. જો રજૂ કરાયેલ ડી. એન. ટી. પી. અગ્રણી ટેમ્પલેટ ન્યુક્લિયોટાઇડનું પૂરક હોય, તો તે વધતી જતી પૂરક સ્ટ્રાન્ડમાં સમાવિષ્ટ થાય છે. આ હાઇડ્રોજન આયનના પ્રકાશનનું કારણ બને છે જે ISFET આયન સેન્સરને ચાલુ કરે છે, જે સૂચવે છે કે પ્રતિક્રિયા થઈ છે. જો હોમોપોલિમર પુનરાવર્તનો નમૂના અનુક્રમમાં હાજર હોય, તો એક જ ચક્રમાં બહુવિધ ડી. એન. ટી. પી. અણુઓનો સમાવેશ કરવામાં આવશે. આ મુક્ત થયેલા હાઇડ્રોજનની અનુરૂપ સંખ્યા અને પ્રમાણસર ઉચ્ચ ઇલેક્ટ્રોનિક સંકેત તરફ દોરી જાય છે. આ તકનીક અન્ય અનુક્રમણિકા-દ્વારા-સંશ્લેષણ તકનીકોથી અલગ છે જેમાં કોઈ સુધારેલા ન્યુક્લિયોટાઇડ્સ અથવા ઓપ્ટિક્સનો ઉપયોગ થતો નથી. આયન સેમિકન્ડક્ટર સિક્વન્સિંગને આયન ટોરેન્ટ સિક્વન્સિંગ, પીએચ-મધ્યસ્થી સિક્વન્સિંગ, સિલિકોન સિક્વન્સિંગ અથવા સેમિકન્ડક્ટર સિક્વન્સિંગ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે. ટેકનોલોજી વિકાસનો ઇતિહાસ આ ટેકનોલોજીને ડીએનએ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ લિમિટેડ પાસેથી લાઇસન્સ આપવામાં આવ્યું હતું, જે આયન ટોરેન્ટ સિસ્ટમ્સ ઇન્ક દ્વારા વિકસાવવામાં આવી હતી અને ફેબ્રુઆરી 2010માં રજૂ કરવામાં આવી હતી. આયન ટોરેન્ટે તેમના મશીનને ઝડપી, કોમ્પેક્ટ અને કિફાયતી સિક્વેન્સર તરીકે માર્કેટિંગ કર્યું છે જેનો ઉપયોગ મોટી સંખ્યામાં પ્રયોગશાળાઓમાં બેન્ચ ટોપ મશીન તરીકે થઈ શકે છે. રોશેની 454 લાઇફ સાયન્સિસ આ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ કરીને લાંબા સમય સુધી વાંચેલા, ઉચ્ચ ઘનતા ધરાવતા સેમિકન્ડક્ટર સિક્વન્સિંગ પ્લેટફોર્મના વિકાસ માટે ડીએનએ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સાથે ભાગીદારી કરી રહી છે. ટેકનોલોજી અનુક્રમણિકા રસાયણશાસ્ત્ર પ્રકૃતિમાં, વધતા ડીએનએ સ્ટ્રાન્ડમાં ડીઓક્સિરાઇબોન્યુક્લિયોસાઇડ ટ્રાઇફોસ્ફેટ (ડીએનટીપી) નો સમાવેશ સહસંયોજક બંધની રચના અને પાયરોફોસ્ફેટ અને હકારાત્મક રીતે ચાર્જ હાઇડ્રોજન આયનના પ્રકાશનનો સમાવેશ કરે છે. ડી. એન. ટી. પી. નો સમાવેશ ત્યારે જ કરવામાં આવશે જ્યારે તે અગ્રણી અનપેયર્ડ ટેમ્પલેટ ન્યુક્લિયોટાઇડનું પૂરક હોય. આયન સેમિકન્ડક્ટર સિક્વન્સિંગ પ્રતિક્રિયાને ડી. એન. ટી. પી. ની એક જ પ્રજાતિ પૂરી પાડવા પર હાઇડ્રોજન આયન મુક્ત થાય છે કે કેમ તે નક્કી કરીને આ તથ્યોનો ઉપયોગ કરે છે. સેમિકન્ડક્ટર ચિપ પર માઇક્રોવેલ્સ કે જેમાં દરેકમાં અનુક્રમિત કરવા માટે એક સિંગલ-સ્ટ્રેન્ડેડ ટેમ્પલેટ ડીએનએ મોલેક્યુલની ઘણી નકલો હોય છે અને ડીએનએ પોલિમરેઝ ક્રમિક રીતે બિનપરિવર્તિત એ, સી, જી અથવા ટી ડીએનટીપીથી ભરાઈ જાય છે. જો રજૂ કરાયેલ ડી. એન. ટી. પી. ટેમ્પલેટ સ્ટ્રાન્ડ પર આગામી અનપેયર્ડ ન્યુક્લિયોટાઇડનું પૂરક હોય તો તેને ડીએનએ પોલિમરેઝ દ્વારા વધતા પૂરક સ્ટ્રાન્ડમાં સામેલ કરવામાં આવે છે. જો રજૂ કરાયેલ ડી. એન. ટી. પી. પૂરક ન હોય તો તેમાં કોઈ સમાવેશ થતો નથી અને કોઈ બાયોકેમિકલ પ્રતિક્રિયા થતી નથી. પ્રતિક્રિયામાં મુક્ત થતો હાઇડ્રોજન આયન દ્રાવણના પીએચમાં ફેરફાર કરે છે, જે ISFET દ્વારા શોધાય છે. જ્યારે એક અલગ ડી. એન. ટી. પી. પ્રજાતિ રજૂ કરવામાં આવે છે ત્યારે આગામી ચક્ર પહેલાં અસંબદ્ધ ડી. એન. ટી. પી. અણુઓ ધોવાઇ જાય છે. માઇક્રોવેલ્સના સ્તરની નીચે સિગ્નલ ડિટેક્શન એ આયન સંવેદનશીલ સ્તર છે, જેની નીચે ISFET આયન સેન્સર છે. તમામ સ્તરો CMOS સેમિકન્ડક્ટર ચિપમાં સમાયેલ છે, જે ઇલેક્ટ્રોનિક્સ ઉદ્યોગમાં વપરાતા સમાન છે. દરેક ચિપમાં અનુરૂપ ISFET ડિટેક્ટર્સ સાથે માઇક્રોવેલ્સની શ્રેણી હોય છે. દરેક મુક્ત હાઇડ્રોજન આયન પછી ISFET આયન સેન્સરને ચાલુ કરે છે. ચિપમાંથી કમ્પ્યુટરમાં પ્રસારિત થતી વિદ્યુત સ્પંદનોની શ્રેણીને ડીએનએ અનુક્રમમાં અનુવાદિત કરવામાં આવે છે, જેમાં કોઈ મધ્યવર્તી સંકેત રૂપાંતરણની જરૂર નથી. કારણ કે ન્યુક્લિયોટાઇડના સમાવેશની ઘટનાઓને સીધા ઇલેક્ટ્રોનિક્સ દ્વારા માપવામાં આવે છે, લેબલવાળા ન્યુક્લિયોટાઇડ અને ઓપ્ટિકલ માપનનો ઉપયોગ ટાળવામાં આવે છે. સિગ્નલ પ્રોસેસિંગ અને ડીએનએ એસેમ્બલી પછી સોફ્ટવેરમાં હાથ ધરવામાં આવી શકે છે. અનુક્રમણિકાની લાક્ષણિકતાઓ ફેબ્રુઆરી 2011 સુધીમાં આયન ટોરેન્ટ આયન સેમિકન્ડક્ટર સિક્વન્સર પર આયન ટોરેન્ટ દ્વારા પ્રતિ આધાર ચોકસાઈ 50 બેઝ રીડ્સ પર આધારિત 99.6% હતી, જેમાં પ્રતિ રન 100 એમબી હતી. ફેબ્રુઆરી 2011 સુધીમાં વાંચન-લંબાઈ 100 આધાર જોડી હતી. લંબાઈમાં 5 પુનરાવર્તનોના હોમોપોલિમર પુનરાવર્તન માટેની ચોકસાઈ 98 ટકા હતી. પછીના પ્રકાશનો 400 બેઝ જોડીઓની વાંચન લંબાઈ દર્શાવે છે આ આંકડાઓ હજુ સુધી કંપનીની બહાર સ્વતંત્ર રીતે ચકાસવામાં આવ્યા નથી. શક્તિઓ આયન સેમિકન્ડક્ટર સિક્વન્સિંગના મુખ્ય ફાયદાઓ ઝડપી સિક્વન્સિંગ ઝડપ અને ઓછા અપફ્રન્ટ અને ઓપરેટિંગ ખર્ચ છે. આ સંશોધિત ન્યુક્લિયોટાઇડ્સ અને ઓપ્ટિકલ માપનના અવગણના દ્વારા સક્ષમ કરવામાં આવ્યું છે. કારણ કે સિસ્ટમ કુદરતી પોલિમરેઝ-મધ્યસ્થી ન્યુક્લિયોટાઇડ સમાવેશની ઘટનાઓને રેકોર્ડ કરે છે, સિક્વન્સિંગ વાસ્તવિક સમયમાં થઈ શકે છે. વાસ્તવમાં, અનુક્રમ દર સિસ્ટમ દ્વારા સબસ્ટ્રેટ ન્યુક્લિયોટાઇડ્સના ચક્ર દ્વારા મર્યાદિત છે. ટેક્નોલોજીના વિકાસકર્તા, આયન ટોરેન્ટ સિસ્ટમ્સ ઇન્ક. દાવો કરે છે કે દરેક સંયોજન માપન 4 સેકન્ડ લે છે અને દરેક દોડ લગભગ એક કલાક લે છે, જે દરમિયાન 100-200 ન્યુક્લિયોટાઇડ્સ અનુક્રમિત થાય છે. જો સેમિકન્ડક્ટર ચિપ્સમાં સુધારો કરવામાં આવે (મૂરેના કાયદા દ્વારા આગાહી કરવામાં આવી છે), તો ચિપ દીઠ રીડ્સની સંખ્યા (અને તેથી રન દીઠ) વધવી જોઈએ. લોન્ચિંગ સમયે આયન ટોરેન્ટ સિસ્ટમ્સ ઇન્ક પાસેથી પીએચ-મધ્યસ્થી સિક્વેન્સર મેળવવાની કિંમત આશરે 50,000 યુએસડી હતી, જેમાં નમૂના તૈયાર કરવાના સાધનો અને ડેટા વિશ્લેષણ માટે સર્વરનો સમાવેશ થતો નથી. રન દીઠ ખર્ચ પણ વૈકલ્પિક સ્વચાલિત અનુક્રમણિકા પદ્ધતિઓ કરતાં નોંધપાત્ર રીતે ઓછો છે, જે આશરે $1,000 છે. મર્યાદાઓ જો હોમોપોલિમર એ જ ન્યુક્લિયોટાઇડનું પુનરાવર્તન કરે (દા. ત.) ટેમ્પ્લેટ સ્ટ્રાન્ડ પર હાજર હોય છે (સ્ટ્રાન્ડને અનુક્રમિત કરવામાં આવે છે) પછી બહુવિધ રજૂ કરાયેલા ન્યુક્લિયોટાઇડ્સનો સમાવેશ થાય છે અને એક જ ચક્રમાં વધુ હાઇડ્રોજન આયન મુક્ત થાય છે. આના પરિણામે વધુ pH ફેરફાર થાય છે અને પ્રમાણસર વધુ ઇલેક્ટ્રોનિક સંકેત મળે છે. આ પ્રણાલીની એક મર્યાદા છે જેમાં લાંબા પુનરાવર્તનોની ગણતરી કરવી મુશ્કેલ છે. આ મર્યાદા અન્ય તકનીકો દ્વારા વહેંચાયેલી છે જે પાયરોસીક્વેન્સિંગ જેવી સિંગલ ન્યુક્લિયોટાઇડ ઉમેરાઓને શોધી કાઢે છે. ઉચ્ચ પુનરાવર્તિત સંખ્યામાંથી પેદા થતા સંકેતોને સમાન પરંતુ અલગ સંખ્યાના પુનરાવર્તનોથી અલગ પાડવું મુશ્કેલ છે; દા. ત., 7 લંબાઈના સમવર્તી સંકેતોને 8 લંબાઈના સંકેતોથી અલગ પાડવાનું મુશ્કેલ છે. આ પ્રણાલીની બીજી મર્યાદા એ છે કે સેંગર સિક્વન્સિંગ અથવા પાયરોસિક્વન્સિંગ જેવી અન્ય સિક્વન્સિંગ પદ્ધતિઓની સરખામણીમાં ટૂંકા વાંચનની લંબાઈ છે. લાંબા સમય સુધી વાંચવાની લંબાઈ ડી નોવો જીનોમ એસેમ્બલી માટે ફાયદાકારક છે. આયન ટોરેન્ટ સેમિકન્ડક્ટર સિક્વેન્સર્સ પ્રતિ રીડ આશરે 400 ન્યુક્લિયોટાઇડ્સની સરેરાશ રીડ લંબાઈ ઉત્પન્ન કરે છે. થ્રુપુટ હાલમાં અન્ય ઉચ્ચ-થ્રુપુટ સિક્વન્સિંગ તકનીકોની તુલનામાં ઓછું છે, જો કે વિકાસકર્તાઓ ચિપની ઘનતા વધારીને આને બદલવાની આશા રાખે છે. એપ્લિકેશન આયન ટોરેન્ટ સેમિકન્ડક્ટર સિક્વન્સિંગના વિકાસકર્તાઓએ તેને ઝડપી, કોમ્પેક્ટ અને આર્થિક સિક્વન્સર તરીકે માર્કેટિંગ કર્યું છે જેનો ઉપયોગ મોટી સંખ્યામાં પ્રયોગશાળાઓમાં બેન્ચ ટોપ મશીન તરીકે થઈ શકે છે. કંપનીને આશા છે કે તેમની સિસ્ટમ વિશેષ કેન્દ્રોની બહાર અને હોસ્પિટલો અને નાની પ્રયોગશાળાઓની પહોંચમાં સિક્વન્સિંગ લેશે. જાન્યુઆરી 2011માં ન્યૂયોર્ક ટાઈમ્સનો એક લેખ, "જનસમૂહને ડીએનએ ક્રમમાં લઈ જવું", આ મહત્વાકાંક્ષાઓને રેખાંકિત કરે છે. વધુ વાંચન લંબાઈ હાંસલ કરવા માટે વૈકલ્પિક અનુક્રમણિકા પદ્ધતિઓની ક્ષમતાને કારણે (અને તેથી સંપૂર્ણ જીનોમ વિશ્લેષણ માટે વધુ યોગ્ય હોવાથી) આ તકનીક માઇક્રોબાયલ જીનોમ અનુક્રમણિકા, માઇક્રોબાયલ ટ્રાન્સક્રિપ્ટોમ અનુક્રમણિકા, લક્ષિત અનુક્રમણિકા, એમ્પ્લિકન અનુક્રમણિકા, અથવા અનુક્રમણિકા પુસ્તકાલયોના ગુણવત્તા પરીક્ષણ જેવા નાના પાયે કાર્યક્રમો માટે શ્રેષ્ઠ અનુકૂળ હોઈ શકે છે. સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ આયન ટોરેન્ટ વેબપેજ ડીએનએ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ લિમિટેડ વેબપેજ ન્યૂ યોર્ક ટાઇમ્સ લેખ બાયોટેકનોલોજી ડીએનએ સિક્વન્સિંગ પદ્ધતિઓ મોલેક્યુલર બાયોલોજી