그림 1, 2. 일루미나 내부자료: 일루미나 NGS 장비 및 해외 본사 출시시점

차세대염기서열분석(NGS) 기반 유전자 패널 검사 실시기관에서는 panel size와 depth of coverage, 검체 수에 따라 적합한 산출량의 NGS 플랫폼을 선정하고 있습니 다. 차세대염기서열분석(NGS) 기반 유전자 패널 검사가 panel size와 검체 수가 지속 적으로 증가되는 추세에 따라, 보다 큰 산출량의 NGS 플랫폼을 도입하는 수요가 있었 습니다. 일루미나 NGS 플랫폼은 검사실의 필요 산출량에 따라 고용량, 고성능의 신규 장비를 출시해 왔으며, 진단 시장의 NGS 검사의 발전과 함께 해 왔습니다.

미래의 NGS 검사실은 기존의 신뢰성 있는 정확도와 높은 산출량을 대표하는 short read sequencing을 벗어나 long read sequencing으로의 변화를 요구하고 있습니다.
Long read sequencing을 지원하는 3세대 NGS 플랫폼은 아직 연구용장비로써, 체외 진단 의료기기로서 신뢰성과 생산성을 확보하지 못하였습니다. 아직 2세대 NGS 플랫 폼이 주류를 이루고 있는 상황에서 신뢰할 수 있는 long read sequencing 수요는 여전히 충족되지 못한 채 남아 있습니다.

2022년 1월 J.P. Morgan Healthcare Conference에서 발표된 일루미나의 신기술은 우리 나라에 구축된 기존 일루미나 NGS 플랫폼 인프라를 유지하면서, 검사실의 개선된 NGS 기술과 새로운 검사의 길을 열고자 합니다.

1. 기존 일루미나 플랫폼에 Long Read 기술 접목, 코드네임 Infinity

그림 3. 일루미나 내부자료, JP Morgan conference

llumina와 ThermoFisher의 장비는 2세대 염기서 열분석 장비로써 “Short Read” 기술을 사용하고 있습니다. Short read sequencing은 핵산 검체를 물리적 또는 화학적으로 조각 낸 후에 염기서열을 읽습 니다. 조각난 염기서열을 참조 염기서열(reference sequence)을 이용하여 짜맞추는(mapping) 단계가 필수입니다. 반대로, PacBio와 Oxford Nanopore 는 3세대 염기서열분석 장비로써 “Long Read” 기술을 사용하고 있습니다. Long read sequencing 은 핵산 단일 분자를 주형으로 중합효소 반응 중 형광 방출을 측정하는 방식(PacBio)과 나선효소를 통과한 DNA 단일 가닥이 막 통로를 통과할 때 발생하는 전위차를 측정하는 방식(Oxford Nanopore)이 있습니다. (그림4)

1. 기존 일루미나 플랫폼에 Long Read 기술 접목, 코드네임 Infinity

그림 4. Long-read sequencing technologies <그림 출처: Bharti, Richa and Dominik G. Grimm. “Current challenges and best-practice protocols for microbiome analysis.” Briefings in Bioinformatics 22 (2021): 178 - 193.>

일루미나 NGS 플랫폼은 2세대 염기서열분석을 대표 하고 있으며, 진단과 연구 분야에 널리 사용되고 있습니다. 일루미나의 “Sequencing by Synthesis” 기술은 높은 정확도를 갖고 있으나 600 bases를 초과하는 긴 DNA 서열을 한 번에 분석하지 못하는 제한이 있었습니다. 하지만 기존 일루미나 플랫폼에 “Infinity”를 접목하게 되면서, 기존의 2세대 염기서열 분석 장비로도 10 kb 길이까지 염기서열분석이 가능해집니다.

2. 혁신적인 Chemistry X가 새로운 industry benchmark를 설정해갑니다

그림 5. 일루미나 내부자료, JP Morgan conference

일루미나의 “Sequencing by Synthesis”(SBS) 기술에 사용되는 원재료가 개선되며 2배 빠르고, 2 배 길게 시퀀싱되며, 3배 정확도가 향상됩니다.
“Chemistry X”로 지칭되는 신공정은 새로운 형광 염료와 이를 염기에 연결하는 linker, 다음 중합효소 반응을 차단시키는 block, 중합효소에 모두 적용되 었습니다. 열과 가수분해에 저항성이 높아지며 시약의 안정성과 정밀도가 높아졌습니다.

SBS 기술은 형광염료와 block이 부착된 염기를 한 개씩 중합 반응시키며, 형광 이미지를 촬영하는 기법 으로 homopolymer error를 방지하는 장점이 있습 니다. 하지만 각 중합반응 이후 형광 염료와 block 을 제거하는 과정이 발생하며, 이 단계에 소요시간이 길었습니다. Chemistry X 신공정으로 block 제거가 빨라지며 SBS 기술의 속도와 염기서열길이가 대폭 향상되었습니다.

3. 보다 빠르고 정확한 NGS 기술 도입을 눈 앞에 두고 있습니다

일루미나의 SBS 기술은 “Chemistry X” 공정으로 2 배의 속도와 분석길이, 3배의 정확도의 향상을 이루며 새로 접목될 “Infinity”는 3세대 NGS 장비가 필요 없이 기존 일루미나 NGS 플랫폼으로 ~10 kb 염기 서열분석길이를 지원하게 될 것입니다. 일루미나가 준비 중인 “Infinity”와 “Chemistry X”는 NGS 검사실의 지속적이고 안정적인 품질관리와 혁신적인 기술발전을 모두 만족시킬 수 있게 될 것으로 기대됩니다.