Sistema NGS

Tipos de sistemas NGS

El objetivo principal de un sistema NGS es secuenciar todo el genoma a bajo costo y con un tiempo de respuesta rápido. Existen diferentes tipos de sistemas de secuenciación de próxima generación con características particulares. Por lo general, se basan en diferentes principios.

• Secuenciación por síntesis (SBS):

  SBS es una tecnología NGS ampliamente utilizada en varios secuenciadores, como los sistemas Illumina. Implica la incorporación de nucleótidos marcados con fluorescencia por ADN polimerasa durante la síntesis de una hebra complementaria. La secuencia específica de señales de fluorescencia emitidas se captura y se traduce en secuencias de ADN.

• Secuenciación de semiconductores Ion Torrent:

  Esta tecnología mide los cambios en el pH causados por la liberación de iones de hidrógeno durante la amplificación del ADN. Utiliza un chip de semiconductor para detectar directamente los nucleótidos incorporados, lo que da como resultado una codificación digital de la secuencia de ADN.

• Secuenciación por ligación:

  Es el proceso de identificar secuencias cortas de ADN mediante la detección de las señales fluorescentes generadas durante la ligación de sondas de oligonucleótidos al ADN diana. Los eventos de ligación se registran para determinar la secuencia de ADN.

• Secuenciación en tiempo real de una sola molécula (SMRT):

  La secuenciación SMRT es una tecnología desarrollada por Pacific Biosciences (PacBio) que permite la observación en tiempo real de la síntesis de ADN por una sola molécula de ADN polimerasa. Permite la lectura de fragmentos largos de ADN y proporciona información sobre la secuencia de ADN en tiempo real.

Especificación y mantenimiento de sistemas NGS

El NGS tiene varios componentes vitales, cada uno con diferentes especificaciones. Aquí hay algunas especificaciones típicas.

• Química de secuenciación: Las máquinas NGS suelen tener una química de secuenciación especial para la identificación de bases. Por ejemplo, Illumina utiliza la secuenciación por síntesis (SBS) de terminador reversible como su química. Funciona con nucleótidos marcados con fluorescencia.
• Longitud de lectura: La forma en que funciona el NGS, los fragmentos de ADN que lee tendrán diferentes longitudes. Pero en general, los fragmentos estarán entre 50 y 300 pares de bases. Por ejemplo, los instrumentos Illumina tienen diferentes configuraciones que pueden generar longitudes de lectura de 75 a 300 bases.
• Rendimiento: El volumen de datos de secuenciación que el NGS puede generar en un tiempo determinado dependerá de su modelo. La salida de datos final suele estar en gigabases (Gb). Para Illumina, el modelo de secuenciador MiSeq puede generar hasta 15 Gb de datos en una ejecución de 24 horas, mientras que NovaSeq 6000 puede generar hasta 6,000 Gb en aproximadamente dos días.
• Precisión: La precisión de un sistema NGS para leer secuencias de bases de ADN puede variar con su modelo. La máquina puede tener una precisión de un par de bases o un nivel más fino de una base errónea por cada millón de bases verdaderas. Por ejemplo, los sistemas Ion Torrent tienen una precisión de hasta el 99.9%.
• Formato de archivo: Los sistemas NGS tienen un cierto formato de archivo que producen para facilitar el almacenamiento, el análisis y el intercambio de datos. Por ejemplo, un sistema NGS de Illumina producirá datos en formato BCL. BCL significa llamada de base binaria. Los datos se convertirán posteriormente a archivos FASTQ para su almacenamiento y análisis.

Mantenimiento

El cuidado adecuado y el mantenimiento rutinario pueden garantizar que las máquinas de secuenciación de próxima generación continúen funcionando con alto rendimiento y precisión. Aquí tienes un programa general de mantenimiento rutinario de un NGS:

• Diariamente: Compruebe las condiciones ambientales para garantizar que admitan operaciones estables. La temperatura ambiente y los niveles de humedad deben estar dentro de los rangos especificados para un rendimiento óptimo. Los parámetros están entre 20–25 °C y 40–60% de HR, respectivamente. Además, inspeccione los consumibles críticos como la celda de flujo y los kits de reactivos. Asegúrese de que no haya signos de contaminación o daños. Siga estrictamente los procedimientos de manipulación del fabricante. Limpie la superficie de trabajo alrededor del NGS, pero evite los materiales de limpieza que contengan compuestos orgánicos volátiles (VOC).
• Semanalmente: Al final de cada semana, el usuario puede realizar una comprobación del estado del sistema. Puede ejecutar una prueba estándar para asegurarse de que todos los subsistemas funcionan de manera óptima. Los resultados pueden mostrar si hay necesidad de mantenimiento temprano.
• Mensualmente: El usuario de la máquina puede calibrar los componentes críticos del NGS, como los sistemas de fluidos y los sistemas ópticos. También pueden reemplazar los componentes críticos del NGS que interactúan con los elementos ambientales, como los filtros de aire. Esto evita la contaminación de los reactivos y las muestras.)
• Trimestralmente: El usuario de NGS debe realizar una limpieza profunda del secuenciador al menos cada tres meses. Puede utilizar kits de limpieza proporcionados por el proveedor de NGS. Parte del proceso de limpieza implica ejecutar soluciones de lavado a través del sistema de fluidos para eliminar cualquier residuo o contaminante.
• Anualmente: Los usuarios pueden considerar ejecutar una evaluación de rendimiento. La evaluación puede ayudar al distribuidor o fabricante a evaluar la precisión y exactitud de la máquina. Si es necesario, pueden reemplazar los componentes de la máquina con piezas nuevas y recomendadas.

Aplicaciones y escenarios para los sistemas NGS

Como discutimos anteriormente, el propósito de un sistema NGS es llevar a cabo la secuenciación. Hay una serie de campos y sectores donde se pueden utilizar con gran eficacia.

• Genómica: En los últimos años, el estudio de los genomas se ha convertido en una ciencia por derecho propio. Existe un esfuerzo creciente por llevar a cabo estudios de población para ver cómo la composición genética de ciertas poblaciones puede influir en sus rasgos. Además, hay esfuerzos para comprender la ascendencia humana, los estudios evolutivos y los estudios funcionales de los genomas. Todos estos esfuerzos requieren un sistema NGS sólido mediante el cual los investigadores pueden secuenciar los genomas que están estudiando.
• Diagnóstico clínico: La secuenciación de genes es fundamental para comprender diversas enfermedades, especialmente las genéticas. Utilizando un sistema NGS, los médicos pueden determinar qué parte de la composición genética de una persona está causando una enfermedad. No solo eso, sino que también se puede utilizar para adaptar medicamentos y tratamientos específicos en función de la composición genética de una persona. Esto se llama medicina de precisión y se está volviendo más popular cada día.
• Oncología: El cáncer es una enfermedad que se ha generalizado y los investigadores están tratando de encontrar formas de comprender cómo funciona. Las alteraciones en el genoma son una causa principal de cáncer. Los sistemas NGS se pueden utilizar para estudiar estas alteraciones genómicas, lo que nos ayuda a comprender mejor el cáncer. Esto, a su vez, ayuda a identificar objetivos para las terapias contra el cáncer e incluso sugiere formas de prevenir la enfermedad en ciertos individuos.
• Análisis del microbioma: El cuerpo humano alberga una multitud de bacterias, algunas beneficiosas y otras potencialmente dañinas. El conjunto de bacterias que viven en el intestino de una persona, por ejemplo, se conoce como el microbioma. El estudio del microbioma puede proporcionar pistas útiles sobre la salud de un individuo, la resistencia a las enfermedades e incluso las respuestas a los medicamentos. Utilizando sistemas NGS, los investigadores pueden identificar y catalogar las diferentes especies de bacterias presentes en una muestra individual. Esto enriquece nuestra comprensión de la salud humana y la enfermedad.
• Seguridad alimentaria y forense: En el desafortunado caso de un brote de enfermedad transmitida por alimentos, un sistema NGS se puede utilizar para iniciar las investigaciones de rastreo para determinar la fuente de contaminación y la forma en que ocurrió. Si una persona está infectada con un organismo secuenciado genéticamente, el sistema NGS puede ayudar a comprender la cepa del organismo y su susceptibilidad a ciertos medicamentos. Esto ayudará aún más a responder rápidamente a la contaminación para que el público esté bien protegido. Las investigaciones criminales también pueden utilizar el sistema NGS. Si se recopilan muestras biológicas de la escena del crimen, se pueden secuenciar genéticamente. Esto puede ayudar a establecer vínculos entre la víctima del crimen y el perpetrador.

Cómo elegir el sistema NGS

Al elegir el sistema de secuenciación de próxima generación (NGS), se deben considerar factores como la profundidad de cobertura del genoma, las longitudes de lectura, el rendimiento, la precisión y otras especificaciones del sistema. Además, la aplicación deseada del sistema en áreas particulares de investigación es esencial tenerla en cuenta al determinar qué características son más importantes para el estudio de una empresa. También se debe analizar cuidadosamente el flujo de trabajo de preparación de la muestra y análisis de datos, ya que estos dos pasos dictarán el sistema necesario para un proceso fluido y eficiente.

Otro aspecto crucial a considerar es el potencial de escalabilidad del sistema para adaptarse y acomodar las necesidades futuras. La integración del instrumento con otros sistemas de laboratorio para mantener un flujo de trabajo eficiente y optimizado es otra característica importante a considerar, junto con la facilidad de uso, la automatización y la capacidad de muestra de la plataforma.

Por último, aunque el costo y el presupuesto de un sistema NGS determinarán en última instancia si sus especificaciones coinciden con los requisitos de uno, es útil considerar el soporte técnico y la experiencia proporcionados por el proveedor que entrega el sistema para garantizar que los clientes reciban ayuda en todo momento.

Preguntas y respuestas sobre el sistema NGS

P1. ¿Qué impacto ha tenido el NGS en la medicina personalizada?

A1. La medicina personalizada adapta la atención médica en función de la genética individual. El NGS permite esto secuenciando rápida y asequiblemente el genoma de un paciente. Esto revela variaciones genéticas únicas que influyen en el riesgo de enfermedad, la respuesta a los medicamentos y la selección del tratamiento. La caracterización genómica impulsada por NGS ayuda al desarrollo de medicamentos y ofrece terapias dirigidas y tratamientos de precisión relacionados con mutaciones genéticas específicas.

P2. ¿Cuáles son los tres pasos principales del proceso NGS?

A2. Los tres pasos clave del sistema NGS son la preparación de la muestra, la secuenciación y el análisis de datos. En la preparación de la muestra, el ADN/ARN se fragmenta, etiqueta y amplifica. A continuación, se leen millones de fragmentos en paralelo durante la secuenciación. Finalmente, las herramientas de bioinformática analizan los datos masivos, ensamblando las secuencias y extrayendo información biológica.

P3. ¿Cómo se comparan los sistemas NGS con la secuenciación tradicional de Sanger?

A3. La secuenciación de próxima generación (NGS) difiere fundamentalmente de la secuenciación de Sanger. Mientras que Sanger secuencia un fragmento de ADN a la vez, el NGS paralelamente lee millones de fragmentos, aumentando el rendimiento y la velocidad. El NGS también secuencia genomas completos o regiones específicas de forma integral, mientras que Sanger está limitado a escalas más pequeñas. Además, los sistemas NGS son más rentables para generar grandes cantidades de datos de secuencia en comparación con el método de Sanger más antiguo.