Strand-seq là gì?

Strand-seq (Single-cell strand sequencing) là một kỹ thuật giải trình tự tế bào đơn đặc biệt, cho phép theo dõi các sợi DNA khuôn mẫu (template strands) được di truyền qua quá trình phân bào. Khác với các phương pháp giải trình tự truyền thống vốn không lưu giữ thông tin định hướng của sợi DNA gốc, Strand-seq ghi nhận và bảo tồn chính xác định hướng của các sợi DNA khuôn mẫu (sợi Watson/Crick) trong từng tế bào riêng lẻ. Do đó, kỹ thuật này không chỉ đọc trình tự nucleotide, mà còn cung cấp bức tranh toàn cảnh về cấu trúc và định hướng của nhiễm sắc thể ở độ phân giải cao.

Nhờ khả năng độc đáo này, Strand-seq đặc biệt hiệu quả trong việc:

• Phát hiện các biến đổi cấu trúc (Structural Variants – SVs)
• Phân tích trao đổi đoạn giữa các nhiễm sắc tử chị em (Sister Chromatid Exchange – SCE)
• Lắp ráp bộ gen phức tạp (De novo genome assembly)
• Kết hợp để xác định haplotype trên quy mô toàn nhiễm sắc thể (Chromosome-length haplotyping)
• Nghiên cứu tình trạng bất ổn định hệ gen trong ung thư

Đây đều là những dạng biến đổi vốn rất khó hoặc không thể phát hiện chính xác nếu chỉ sử dụng các phương pháp short-read sequencing thông thường.

Vì sao Strand-seq ngày càng được chú ý?

Một trong những lý do khiến Strand-seq đang bứt phá mạnh mẽ trong những năm gần đây là sự cải tiến vượt bậc của các nền tảng giải trình tự thế hệ mới, giúp tối ưu hóa cả thông lượng lẫn chi phí vận hành.

Các hệ thống giải trình tự mới như AVITI System của Element Biosciences đang hỗ trợ tăng thông lượng và tối ưu hiệu quả chi phí cho các thí nghiệm Strand-seq quy mô lớn nhờ vào sự cải tiến về độ chính xác tín hiệu và khả năng xử lý dữ liệu phức tạp. Công nghệ Avidite Base Chemistry (ABC™) độc quyền của hãng được thiết kế để nâng cao độ chính xác, hỗ trợ đọc tốt các vùng DNA cấu trúc phức tạp phổ biến trong dữ liệu tế bào đơn.

Đặc biệt, thách thức lớn nhất khi mở rộng quy mô Strand-seq (gộp hàng trăm, hàng ngàn thư viện mẫu đơn bào) là hiện tượng index hopping do lượng adapter tự do dư thừa gây ra. Đối với giải trình tự thông thường, vài phần trăm sai lệch có thể chấp nhận được, nhưng với Strand-seq, nó sẽ làm nhiễu nghiêm trọng việc xác định định hướng sợi Watson/Crick.

Hệ thống AVITI™ đã giải quyết triệt để vấn đề này nhờ cơ chế khuếch đại xoay vòng (Rolling circle amplification - RCA) thay cho cơ chế khuếch đại cầu nối (bridge amplification). Do các phân tử DNA được khuếch đại tại chỗ từ một khuôn mẫu vòng hóa, hiện tượng index hopping giảm xuống mức gần bằng 0. Điều này đảm bảo độ chính xác cho việc phân bổ read và xác định sợi, tạo điều kiện để Strand-seq bước ra khỏi phạm vi các phòng lab chuyên sâu và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi hơn.

Ứng dụng tiềm năng trong nghiên cứu và y sinh

Sự kết hợp giữa Strand-seq và các nền tảng giải trình tự tân tiến như AVITI™ đang mở ra nhiều hướng nghiên cứu đầy tiềm năng:

Nghiên cứu ung thư: Theo dõi bất ổn định nhiễm sắc thể và các biến đổi cấu trúc xảy ra ở từng tế bào ung thư riêng lẻ, giúp hiểu rõ hơn về sự tiến hóa của khối u.

Nghiên cứu bệnh di truyền: Xác định các vùng tái sắp xếp DNA phức tạp, đa hình đảo đoạn (inversion polymorphisms) và biến đổi cấu trúc phức tạp mà các công nghệ sequencing thông thường bỏ sót.

Multiomics và Sinh học tế bào đơn: Kết hợp dữ liệu DNA, RNA và cấu trúc không gian nhiễm sắc thể trên cùng một tế bào để hiểu sâu sắc về cơ chế điều hòa biểu hiện gen.

Phát triển y học chính xác: được kỳ vọng sẽ hỗ trợ các hướng tiếp cận y học chính xác trong tương lai.

Những thách thức hiện tại

Dù sở hữu tiềm năng to lớn, Strand-seq vẫn là một kỹ thuật có độ phức tạp cao so với các quy trình giải trình tự tiêu chuẩn hiện nay. Quy trình chuẩn bị thư viện đòi hỏi các bước xử lý mẫu rất khắt khe: từ việc nuôi cấy tế bào với BrdU (Bromodeoxyuridine), phân tách tế bào đơn nghiêm ngặt bằng hệ thống FACS, đến việc xử lý thư viện từ lượng DNA đầu vào cực thấp (mức độ picogram).

Bên cạnh đó, khâu phân tích dữ liệu đòi hỏi các công cụ tin sinh học chuyên biệt - chẳng hạn như gói phần mềm breakpointR - để xử lý thông tin định hướng sợi DNA và tái cấu trúc trạng thái nhiễm sắc thể. Chính vì rào cản kỹ thuật và thuật toán này, Strand-seq hiện vẫn chưa được triển khai phổ biến như scRNA-seq hay các phương pháp giải trình tự hàng loạt (bulk sequencing) truyền thống.

Tương lai của Strand-seq

Dù vẫn là một kỹ thuật chuyên sâu, Strand-seq đang dần khẳng định vị thế vững chắc trong nghiên cứu hệ gen hiện đại nhờ sự tiếp sức từ công nghệ. Khi chi phí giải trình tự tiếp tục giảm và các nền tảng như AVITI™ không ngừng cải thiện tốc độ cũng như chất lượng dữ liệu đầu ra, Strand-seq được kỳ vọng sẽ đóng vai trò trung tâm, mở ra những chương mới cho ngành sinh học tế bào đơn và y học chính xác trong những năm tới.