مقدمة
يعتبر تسلسل الجيل التالي (NGS) أحد أبرز الابتكارات في مجال علم الوراثة وعلم الأحياء الجزيئية. أتاح هذا المجال تسلسلاً سريعاً ودقيقاً للجينومات، ما فتح آفاقاً جديدة في البحث العلمي والطبي. وقد أحدث الـ NGS ثورة في كيفية دراسة الجينوم البشري والكائنات الأخرى، مما سمح بفتح أبواب لفهم الأمراض الوراثية، وتشخيص الأمراض، وتطوير العلاجات الشخصية.
أهمية تسلسل الجيل التالي
تعد تقنية الـ NGS من أبرز الابتكارات التي أثرت بشكل كبير في العديد من المجالات العلمية. إذ تعد أهميته في القدرة على إجراء تسلسل كامل للجينوم البشري أو كائنات أخرى في وقت قياسي مقارنة بالطرق التقليدية. يتيح NGS تحليل كميات ضخمة من البيانات الوراثية، مما يساعد في استكشاف تنوع الجينات وكيفية تأثير الطفرات الجينية على وظائف الأنسجة والأعضاء.
طريقة عمل تسلسل الجيل التالي (NGS)
تعتمد تقنية الـ NGS على عملية التسلسل المتوازية للأحماض النووية (DNA)، بحيث يمكن قراءة ملايين من الجينات في نفس الوقت. تتضمن العملية عدة خطوات رئيسية تبدأ بالتحضير وتنتهي بالتسلسل الدقيق للبيانات.
التحضير (Sample Preparation)
التحضير هو المرحلة الأولى والأكثر أهمية في عملية تسلسل الجيل التالي، حيث يتم تجهيز الحمض النووي (DNA) بشكل صحيح لضمان تسلسل دقيق وفعال. هذه العملية تتضمن عدة خطوات رئيسية:
استخراج الحمض النووي (DNA Extraction):
يتم أولاً استخراج الحمض النووي من العينة البيولوجية، سواء كانت من الأنسجة أو الدم أو أي نوع آخر من العينات البيولوجية باستخدام تقنيات خاصة لفصل الحمض النووي عن المواد الأخرى.
التقطيع (DNA Fragmentation):
يتم تقطيع الحمض النووي إلى قطع صغيرة باستخدام تقنيات مثل التحلل الميكانيكي أو التفاعل الإنزيمي. التقطيع ضروري لأن أجهزة التسلسل لا تستطيع قراءة الجينوم كاملاً مرة واحدة، لذا يجب تقطيع الحمض النووي إلى قطع أصغر تسهل قراءتها.
إضافة الأشرطة (Adapter Ligation):
يتم إضافة أشرطة (Adapters) صغيرة إلى أطراف كل قطعة من الحمض النووي لتسهيل التعرف على القطع أثناء التسلسل، كما تسمح بربط القطع مع أدوات التسلسل.
التكثير (Amplification):
يتم تكثير الحمض النووي باستخدام تقنية التفاعل المتسلسل للبوليميريز (PCR)، وهي عملية تقوم بتكرار القطع الجينية المستهدفة بشكل كبير لتوفير كمية كافية من الحمض النووي لتحليل العينة.
تنظيف العينة (Library Preparation):
تنظيف العينة يتضمن إزالة القطع غير المرغوب فيها أو الأشرطة الزائدة لضمان أن العينة تحتوي فقط على القطع المستهدفة للتسلسل.
التسلسل (Sequencing)
بمجرد تحضير العينة، تبدأ مرحلة التسلسل، وهي التي تتم خلالها قراءة الجينوم بشكل فعلي. هناك تقنيات عدة يتم استخدامها في التسلسل، ولكن أحد أكثر الأساليب شيوعًا هو تقنية تسلسل الجيل التالي. يمكن تلخيص عملية التسلسل كما يلي:
تحديد أساسيات التسلسل (Sequencing by Synthesis):
يعتمد التسلسل عبر الاصطفاف (Sequencing by Synthesis) على قراءة الحمض النووي من خلال تركيب الأحماض النووية المتسلسلة واحدًا تلو الآخر. يتم إضافة قواعد (Nucleotides) مثل الأدينين (A)، السايتوسين (C)، الغوانين (G)، والثايمين (T) إلى النظام بشكل متسلسل، وتقوم أجهزة التسلسل بتسجيل التفاعلات لتحليل التسلسل.
استخدام تقنيات أخرى للتسلسل (Alternative Sequencing Techniques):
تشمل بعض التقنيات الأخرى التسلسل باستخدام فلوروسينس (Fluorescence Sequencing)، حيث يتم تمييز القواعد الجينية باستخدام الأصباغ الفلورية، والتسلسل عن طريق التفاعل الإلكتروني (Ion Semiconductor Sequencing) الذي يعتمد على قياس التغيرات في الشحنة الكهربائية عند إضافة قواعد جديدة.
قراءة البيانات (Data Acquisition):
يتم تسجيل البيانات التي تم تسلسلها بواسطة أجهزة التسلسل وتحويلها إلى تسلسل رقمي، حيث يُترجم كل قاعدة إلى رمز رقمي (0 أو 1). تنتج هذه البيانات كملفات تحتوي على تسلسل طويل من الأرقام التي تعكس تسلسل القواعد الجينية في الحمض النووي.
توليف الصور وتحليلها (Image Processing and Analysis):
في بعض تقنيات التسلسل، يتم توليد صور ضوئية خلال عملية التسلسل. تُستخدم هذه الصور لتحديد القواعد الدقيقة لكل قطعة من الحمض النووي.
تجميع البيانات (Data Assembly):
بعد الانتهاء من تسلسل جميع القطع، يتم تجميع البيانات عبر برامج تحليلية متطورة لدمج القطع الصغيرة من الحمض النووي لتشكيل الجينوم الكامل. يتم مقارنة هذه البيانات مع الجينوم المرجعي للكائن الحي إذا كان متاحًا، للكشف عن الطفرات أو التغيرات في التسلسل.
فوائد تقنية تسلسل الجيل التالي (NGS)
دقة عالية وسرعة (High Accuracy and Speed):
يوفر الـ NGS دقة متناهية في قراءة الجينومات مقارنة بالطرق التقليدية.
خفض التكلفة (Cost Reduction):
تم تقليل التكلفة بشكل كبير مقارنة بالتقنيات السابقة، مما جعلها متاحة على نطاق أوسع.
تحليل شامل (Comprehensive Analysis):
يسمح الـ NGS بتحليل كامل للجينوم، مما يمكن من اكتشاف الطفرات الجينية النادرة.
دراسة تعدد الأشكال الجينية (Genetic Variability Study):
يتيح دراسة التنوع الجيني بين الأفراد أو الأنواع.
تطبيقات تسلسل الجيل التالي (NGS)
الطب الشخصي (Personalized Medicine):
يمكن استخدام الـ NGS لتحديد الطفرات الوراثية التي تؤثر على صحة الفرد.
التشخيص المبكر للأمراض (Early Disease Diagnosis):
اكتشاف الأمراض الوراثية في مراحل مبكرة مثل السرطان.
البحث الجيني (Genetic Research):
يتيح الـ NGS دراسة التفاعلات الجينية وتطورها.
الزراعة والبيئة (Agriculture and Environmental Studies):
دراسة التنوع البيولوجي والتطور الوراثي للكائنات.
الخلاصة
تعتبر تقنية تسلسل الجيل التالي (NGS) من التقنيات الثورية في علم الوراثة، حيث تتيح تسلسلاً دقيقاً وسريعاً للجينوم. من خلال التحضير الدقيق والتسلسل الفعال للبيانات، تمكن العلماء من اكتشاف الطفرات الجينية والتنوع البيولوجي بشكل غير مسبوق. مع تقدم هذه التقنية، يتوقع أن تتوسع تطبيقاتها في الطب والبحث العلمي بشكل أكبر في المستقبل.
المراجع:
https://irepertoire.com/ngs-overview-from-sample-to-sequencer-to-results
https://www.youtube.com/watch?v=jFCD8Q6qSTM
https://www.nature.com/articles/nbt1486