최신 NGS 기기동향 (기기별 성능 비교)

  2012년에 출판된 BioMed Central 저널(제목: A tale of three next generation Sequencing Platforms : Comparison of Ion Torrent, Pacific Biosciences and Illumina MiSeq Sequencers)에서는 Ion PGM, PacBio, MiSeq의 성능을 비교하기 위해 같은 샘플로 실험한 결과를 비교하였다.

  우선, 기기 단가면에서는 Ion Torrent PGM이 가장 저렴하고, Gb 생산 단가는 일루미나 HiSeq2000이 가장 저렴하였다. 또한 시간면에서는 Ion Torrent PGM과 PacBio RS가 2시간으로 짧았으나, 기기마다 생산량이 다르기 때문에 절대적인 비교는 하기 어렵다. 눈에 띄는 점은 PacBio RS의 insert size가 10Kb로 가장 길다는 점이다. 그러나 PacBio RS의 경우, paired로 읽을 수 없기 때문에 길게 읽을 수 있는 장점이 크게 부각되지는 않는다.

  True SNP의 경우, GAⅡ와 HiSeq2000이 70~75%였으며, 이에 반해 Ion Torrent PGM, MiSeq과 같은 소형 해독기가 80% 이상으로 높게 나타났다. PacBio RS의 경우, total false positive가 눈에 띄게 높게 나타났으나, mobile elements와 indel을 제거한 후 다른 해독기 수준으로 떨어졌다. 이를 통해 PacBio RS의 SNP call은 비교적 정확하나, indel call은 에러율이 높다는 사실을 알 수 있다.

  2012년에 출판된 Journal of Biomedicine and Biotechnology 저널(제목: Comparison of Next-Generation Sequencing Systems)에는 로슈사의 454, AB사의 SOLiD, 일루미나사의 HiSeq2000, MiSeq, Ion Torrent PGM의 스펙에 대해 리뷰가 되어 있다.

  Ion Torrent PGM의 맵핑률, 커버율이 HiSeq2000보다 높았으며, 평균 mismatch rate과 평균 deletion rate 또한 HiSeq2000보다 낮은 결과를 보였다.

  Oxford Nanopore 시퀀서 (출처: http://www.oxfordnanopore.com)

(1) 원리

  Oxford Nanopore sequencer는 제 3세대 시퀀서라고 불리며, nanopore sensing 기술을 이용하는데, 아래 그림과 같이 염기가 막을 통과할 때의 전위 변화를 이용하여 염기서열을 결정하는 기술이다.

  Oxford Nanopore sequencer의 시퀀싱 방법은 2가지, 즉, strand sequencing, exonuclease sequencing method가 있다. Strand sequencing 의 경우 2012년 하반기에 상용화 될 예정이고, exonuclease sequencing의 경우 상용화 시기는 아직 결정되지 않았다고 한다.

(2) 시퀀싱 방법

  Strand sequencing

  DNA-enzyme complex가 protein nanopore에 붙는다. Enzyme은 double strand DNA의 끝에 결합하고, 한 번에 1 base씩 nanopore를 통과하며, double strand DNA는 길다란 single strand DNA로 만들어진다. 염기가 막을 통과할 때 전위 변화가 일어나는데, 전위 변화의 정도에 따라 A,T,G,C 염기서열이 결정된다. 이러한 원리에 따라 긴 DNA도 정확하게 시퀀싱할 수 있고(2x50Kb 이상 가능), sense와 antisense DNA 또한 구별해 낼 수 있다.

  Exonuclease sequencing

  DNA strand 끝에서 떨어져 나간 각각의 DNA 염기들이 nanopore에 붙고, 일시적으로 adaptor molecule (cyclodextrin)과 결합한다. 역시 이 때 일어나는 전위 변화에 따라 염기서열이 결정되는 원리이다.

  High-throughput system

  Array chip원리를 이용하기 때문에 high-throughput system이 가능하다. Array chip을 96well version으로 된 일회용 카트리지에 장착하고, 카트리지 내에서 샘플 분석이 이루어진다. Application에 따라 single node와 multiple node를 선택할 수 있기 때문에 몇백개, 몇 천개의 channel이 가능하다.

 MinIon

 

  Oxford Nanopore의 MinION (a miniaturized sensing instrument) 시스템으로, 2012년 2월 AGBT 컨퍼런스에서 발표되었다. 기존의 NGS는 시퀀싱을 위해 라이브러리를 만들어야 했지만, MinIon 시스템을 이용하면 일루미나 라이브러리 뿐만 아니라 blood, serum 샘플, 또는 물과 같은 시료를 바로 로딩하여 카트리지에 넣은 후 GridIon node 분석용 컴퓨터에 연결하여 분석할 수 있기 때문에 라이브러리 제작에 필요한 시간과 시약비용을 낭비하지 않아도 될 뿐만 아니라, 기존 시퀀서에서 필요한 fluidics system도 필요 없다. 가격은 512 nanopore에 약 900 달러이며, 1분에 120-1000 base 시퀀싱이 가능하다.

  GridIon 카트리지를 GridIon node라는 data 수집 시스템에 넣는다. 카트리지의 크기는 그림과 같이 한 손에 들어가는 크기이며, GridIon node의 크기는 겨우 USB 메모리스틱 사이즈이고, 곧바로 분석용 컴퓨터에 꽂아 분석이 가능하다. 20 카트리지를 동시에 사용할 경우, 인간 전체 게놈 시퀀싱이 15분 내에 가능하며, 24 시간에 10 gigabase가 가능하다.

결론

  현재까지 출시된 NGS 기기 중 가장 효율적인 플랫폼은 일루미나사의 HiSeq2000과 라이프테크놀로지스사의 Ion Torrent PGM이다. 하루 빨리 더 간편하고, 신속하게 처리싱 할 수 있는 해독기들이 출시되어 1000달러 게놈, 아니 100달러 게놈 시대가 오기를 기대해 본다.