Nanopore Adaptive Sampling의 시작, Read Until 논문 리뷰

Real-time selective sequencing using nanopore technology

 

Oxford Nanopore sequencing의 가장 혁신적인 특징 중 하나는 바로 “실시간(real-time)” 분석이 가능하다는 점입니다. 기존 NGS는 sequencing이 모두 끝난 이후 데이터를 분석해야 했지만, Nanopore는 DNA가 nanopore를 통과하는 순간 발생하는 전기 신호를 실시간으로 확인할 수 있습니다.

 

2016년 Nature Methods에 발표된 이번 논문은 이러한 Nanopore의 특성을 극대화한 대표적인 연구입니다. 연구진은 “Read Until”이라는 기술을 통해, sequencing 도중 원하는 DNA만 선택적으로 계속 읽고 필요 없는 DNA는 중간에 제거하는 데 성공했습니다. 오늘날 Oxford Nanopore의 Adaptive Sampling 기술의 시작점이 된 매우 중요한 논문입니다.

 

기존 Illumina 기반 NGS에서는 특정 영역만 분석하기 위해 hybrid capture나 PCR enrichment 같은 별도의 sample preparation 과정이 필요했습니다. 하지만 Read Until은 sequencing 자체가 진행되는 동안 software적으로 원하는 DNA를 선택합니다. 즉, wet lab 기반 enrichment가 아니라 sequencing 중 실시간 판단을 통해 enrichment를 수행하는 개념입니다.

 

Nanopore sequencing이 이러한 기술을 구현할 수 있는 이유는 DNA sequence를 바로 읽는 것이 아니라, DNA가 pore를 통과할 때 발생하는 전류(current) 변화를 먼저 측정하기 때문입니다. 논문에서는 이 전류 패턴을 “squiggle”이라고 표현합니다. 연구진은 basecalling 이전 단계의 squiggle signal만으로 현재 읽고 있는 DNA가 어떤 영역인지 실시간으로 판별하려고 했습니다.

 

이를 위해 사용된 핵심 알고리즘이 바로 Dynamic Time Warping(DTW)입니다. 원래 DTW는 음성 인식 분야에서 사용되던 알고리즘인데, 시간축이 조금 늘어나거나 줄어든 noisy signal도 유사하게 비교할 수 있다는 장점이 있습니다. Nanopore current signal 역시 sequencing 속도나 noise에 따라 조금씩 달라지기 때문에 DTW가 매우 적합했습니다.

 

연구진은 lambda phage genome에서 특정 영역만 선택적으로 sequencing하는 실험을 수행했습니다. 10–15 kb와 30–35 kb 영역만 sequencing하도록 설정한 결과, 해당 영역의 coverage만 크게 증가하는 것을 확인했습니다. 반대로 target이 아닌 영역은 sequencing 도중 eject되면서 coverage가 감소했습니다. 이는 sequencing 도중 원하는 genomic region만 집중적으로 enrichment할 수 있다는 것을 최초로 보여준 결과였습니다.

 

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5008457/