29 Eylül 2016 Perşembe

Yeni Nesil Sekanslama Nedir? - 1 (Teknolojinin Potansiyeli)

Yeni Nesil Sekanslama'nın daha teknik detaylarından ve bu teknolojiyi ortaya çıkarakn süreçten bahsettiğim önceki yazılarıma şu bağlantılardan ulaşabilirsiniz:
YNS - Sanger
YNS - SAGE
YNS - Mevcut teknolojiler

Uzun bir aradan sonra hepinize merhaba. Yeni Nesil Sekanslama (YNS) [Next Generation Sequencing, NGS] günümüzdeki en güncel yüksek çıktılı [high-throughput] teknoloji. YNS teknolojisinin özü aslında birbirinden bağımsız yüz binlerce hatta milyonlarca sekanslamanın aynı anda aynı cihazda sınırlı bir süre içerisinde gerçekleştirilmesi. Bu teknolojide de gelişmeler öyle hızlı ki, şimdiden birkaç farklı versiyonu dünyada kullanılmaya başladı. Önce bu teknolojiyle neler yapılabildiğinden, ardından bu teknolojinin detaylarından, ve son olarak da bu teknoloji ile elde edilen verilerin nasıl analiz edilebileceğinden bahsetmeye çalışacağım.

Genomlar hakkında çok az şey biliyoruz. Genleri tarif yaklaşımımız bile aslında ne denli kısıtlı bilgiye sahip olduğumuzun bir göstergesi. Bunu sayısal olarak görmek isteyenler de https://genecards.weizmann.ac.il/v3/GIFtS.shtml adresindeki grafiği inceleyebilirler. Bu denli az şey bilmemizin bence en büyük nedeni, neyi aradığımızı bilmememiz.


YNS teknolojilerinin mikrodizi veya qPCR gibi yöntemlere olan üstünlüğü de buradan geliyor. Bir bölgeyi sekanslarken orada yeni şeyler keşfedebilirsiniz, ancak mikrodizi veya qPCR gibi bir yöntem kullanırken ne aradığınızı önceden bilmek zorundasınız. Tam da bu nedenle insanlar çok uzun süre kanser araştırması yaparken TP53'e yoğunlaştı: araştırmacılar nereye yoğunlaşmaları gerektiğini bildiğini düşündü (bunda Santral Dogma kültürünün de büyük payı var). Ancak geçen zaman içerisinde aslında kanser gibi hastalıkların birçok genomik ve proteomik etkenlerinin olduğunu farkederek başka yerlere de bakma ihtiyacı hissettiler. YNS'nin bu denli hızlı bir şekilde yaygınlaşmasının altında da bu yatıyor: tüm genoma bakabilir ve büyük resmi görebilirsiniz.

PCR temelli yöntemlerde bir bölgeyi çoğaltmak isterseniz, o bölgenin baz dizilimini bilmelisiniz (istisna olarak alternatif ancak çok zorlayıcı yöntemler de var, onları es geçiyorum). Klasik sekanslama, veya asıl adıyla Sanger sekanslama PCR yöntemine bağımlı, ve bu nedenle doğru yere odaklanırsanız işinizi görüyor. qPCR'da veya Dijital PCR'da da aynı durum söz konusu: önce primerleri nereye tasarlayacağınızı belirlemeniz gerek. Böylece aynı kısır döngüye giriyor ve nereye bakmanız gerektiğini bulmakta çok zorlanıyorsunuz. Mikrodizi'de de aynı mantık var ve probların önceden tasarlanması gerek.

Ancak YNS bize farklı bir kapı açıyor: dilerseniz herhangi bir genomu alabilirsiniz, hatta aldığınız örneğin farklı genomları içermesinde de bir mahsur yok, orada ne varsa görebiliyorsunuz. Tabii ki sınırları var ve bunlardan bir sonraki yazımda bahsedeceğim, ancak yine de diğer teknolojilerle kıyasladığınızda bu sınırlar devede kulak kalıyor. 

Bir benzetmeyle devam edelim: PCR temelli yöntemler, bisiklet ile ulaşıma benziyor. Sekanslama ise taksi kullanarak bir yerden başka bir yere gitmek gibi. Mikrodizi ve benzeri yöntemler ise servis otobüsü/minibüsü gibi: çok sayıda insan taşıyor ancak servise kimlerin bineceği sınırlandırılmış durumda, bu nedenle otobüse binenler bir özelliklerinden ötürü seçilmiş kişiler. Yeni Nesil Sekanslama ise tramvay veya metro gibi. Aynı anda çok sayıda insan taşıyabilirsiniz, kişi başına taşıma maliyetleri çok düşük, sokaktaki herhangi bir insan tramvaya/metroya binebilir. Tabii ki bu durum beraberinde yüksek bir ilk kurulum maliyeti ve deneyimli iş gücünü gerektiriyor, ama en azından elinizde toplu taşıma için cazip bir seçeneğiniz var. Aynı şekilde, şimdiye kadar örneğin bir grup kanser hastasının genom profilini çıkarmak klasik yöntemlerle maliyet ve iş gücü açısından uluslararası bir konsorsiyum gerektirebilecek kadar büyük ve karmaşıkken, artık YNS teknolojisi ile birkaç haftada çok sayıda insanın genomik profiline sahip olabilirsiniz.

Peki bu ne demek? YNS'nin kullanımının araştırma yönünü ele alırsak mesela:

- Bir örnekteki bakteri populasyonunun tüm genomlarını çıkarak o örnekteki patojenleri tespit edebilirsiniz. Böylece gıda ve su tabanlı mikrobiyolojik salgınların coğrafi kaynaklarını bulabilir, bu tür salgınların önüne daha ilk aşamasındayken geçebilirsiniz. Kültür yöntemiyle günlerce süren sonuç alma süreci YNS yöntemiyle sadece saatler sürüyor.

- Genetik temelli hastalıkların bazen yüzlerce genomik ve proteomik bileşeni olabiliyor, YNS ile tüm genomik bileşenleri tespit edebilir ve proteomik bileşenleri hakkında da bilgi sahibi olabilirsiniz. Böylece hastalık mekanizmalarını daha iyi tanımlayabilir ve hedefe yönelik veya kişiye özel tedavi yöntemlerini geliştirmek için yıllar beklemek ve milyarlarca dolar harcamak zorunda kalmazsınız. 

- Bitki türlerini kolay ve düşük maliyetli bir şekilde sınıflandırıp daha verimli ve dayanıklı türleri kolaylıkla belirleyebilirsiniz. Dünyadaki en büyük şirketlerden birinin ana faaliyet alanının tarımsal biyoteknoloji olduğunu belirtmek isterim.

Bir de işe klinik açıdan bakalım:

- Kalıtımsal tek gen hastalıklarını çok düşük maliyetle ve çok kısa sürede tespit edebilirsiniz.

- Teşhisinde genetik testlerin kullanıldığı kanser gibi kompleks hastalıklarda aynı anda yüzlerce gendeki değişimleri tek bir seferde ve gen başına maliyeti çok düşük tutarak saptayabilirsiniz.

- Patojen kaynaklı hastalıklarda patojeni en ufak detayına kadar doğru bir şekilde tanımlayabilirsiniz.


Tabii ki yapılan ve yapılabilecek çalışmalar bunlarla sınırlı değil. Bir sonraki yazıda teknolojinin ana hatlarıyla nasıl çalıştığından, nasıl kullanılabileceğinden ve sınırlarından bahsedeceğim.



Sözün Özü:
YNS teknolojisi ile teknoloji veya bütçe kısıtlamaları nedeniyle yapılamayan genetik çalışmalar yapılabilir hale geldi.




Proje:
Bir seferde 120 Gbaz (120 milyar baz) okuyabileceğiniz bir çalışma yapacak olsanız neyi sekanslamak isterdiniz?

Meraklısına:
Son çıkan Illumina HiSeq X Ten sistemi ile tüm insan genomu araştırma yapmaya yetecek kalitede 1000 $'a sekanslanabiliyor. Cihazı almak için 10 Milyon $ bütçeniz varsa tabii.