Flow cell · Lane: 시퀀싱은 어디서 일어나나

FASTQ 헤더에서 보이는 HWI-ST1290:260:C5GAPACXX:4:1101:2723:1997 같은 좌표: 이게 무슨 뜻인지, 즉 Illumina 장비 안에서 read가 물리적으로 어디서 생기는지 정리합니다.

한눈에: 물리적 계층

아래 위젯에서 Flow cell → Lane → Tile → Cluster로 한 단계씩 들어가 보세요. 헤더 문자열의 어느 조각이 어느 계층에 해당하는지 함께 표시됩니다.

FASTQ 헤더가 바로 이 계층을 좌표로 적어둔 것입니다.

헤더 조각	계층
C5GAPACXX	flow cell ID
4	lane 번호
1101	tile 번호
2723:1997	tile 안 cluster의 x:y 좌표

실제 장비: HiSeq 2500

시퀀서 본체. 오른쪽 안에 flow cell을 끼우고 돌린다. (사진: Konrad Förstner, CC0)

Flow cell (플로우 셀)

시퀀싱이 실제로 일어나는 유리 슬라이드(칩). 표면에 짧은 DNA 조각(라이브러리)이 달라붙고, 여기서 서열을 읽습니다. 장비에 이 칩을 끼우고 돌리는 1회가 곧 하나의 run(→ ENA 레퍼런스의 accession 구조)입니다.

flow cell 실물(NovaSeq S4). 유리 표면에 보이는 여러 줄무늬 채널이 곧 lane이다. 무지개빛은 표면에 촘촘히 박힌 cluster에서 나오는 빛 회절. (사진: Cirosantilli2, CC BY-SA 4.0)

Lane (레인)

Flow cell은 여러 개의 물리적 채널(lane)로 나뉘어 있습니다. 각 lane은 독립된 통로라, 시약이 흐르고 촬영도 lane 단위로 이뤄집니다.

• 장비마다 lane 수가 다릅니다: HiSeq 2500은 8 lane, MiSeq은 1 lane, NovaSeq은 다른 구조.
• 왜 중요한가:
  • 서로 다른 샘플을 다른 lane에 넣어 한 번에 시퀀싱할 수 있습니다.
  • 같은 라이브러리를 여러 lane에 나눠 넣으면 데이터를 더 많이 얻습니다.
  • lane마다 미세한 조건 차이가 생길 수 있어(lane effect), 분석에서 배치 효과로 고려하기도 합니다.

Cluster (클러스터): read의 정체

DNA 한 조각이 flow cell 표면에 붙으면, 그 자리에서 자기 자신을 수천 번 복제해 같은 서열의 점(cluster)을 만듭니다(bridge amplification). 한 분자만으론 신호가 약해 못 읽기 때문에, 뭉쳐서 밝게 만드는 것입니다.

• cluster 1개 = read 1개. 장비는 매 사이클마다 모든 cluster의 색(염기)을 사진으로 찍어 서열을 읽어냅니다.
• 헤더의 x:y는 그 cluster가 tile 위 어디 있었는지의 좌표입니다.

Tile (타일)

Lane 전체를 한 번에 못 찍으니, 작은 구획(tile)으로 나눠 촬영합니다. 1101 같은 번호가 그 구획 ID입니다. 특정 tile에서만 품질이 나쁘면 장비 이상을 의심할 수 있습니다.

참고: multiplexing (한 lane에 여러 샘플)

한 lane에 샘플 하나만 넣으면 아깝습니다. 그래서 각 샘플 DNA에 고유한 index(바코드) 서열을 붙여 여러 샘플을 한 lane에 섞어 넣고, 나중에 바코드로 다시 갈라냅니다(demultiplexing). 우리가 받는 FASTQ는 이미 갈라진(한 샘플의) 상태입니다.

분석에 주는 실용 포인트

• 실습에서 flow cell·lane·tile을 직접 만질 일은 거의 없습니다. FASTQ 헤더를 읽을 때 “장비 좌표구나” 하고 이해하면 충분.
• 단, 여러 lane/flow cell에 걸친 데이터를 합칠 때는 배치 효과(lane/flow cell effect)를 신경 씁니다.
• FASTQ 4줄 구조·품질 점수는 데이터 형식 레퍼런스를 참고하세요.

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이미지 출처: HiSeq 2500, Konrad Förstner (CC0) · NovaSeq flow cell, Cirosantilli2 (CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. 폭 축소 편집.