MOLECULAR INFORMATION ENGINEERING · 11-2 DEEP DIVE

Illumina
화학에서 장비까지

클러스터 · 가역 종결 · 촬영 · 데이터

Cambridge의 아이디어에서 San Diego의 산업으로
같은 질문을 다른 방식으로 푸는 NGS 회사들

송영준 · 인천대학교 · 60분 · 2026-10-31 확인

60분 수업의 경로

시간내용학생이 설명할 것
0–8분Cambridge·Solexa·특허분자를 멈추고 다시 출발시키는 이유
8–25분비드·표면·클러스터·SBS한 점이 한 서열이 되는 과정
25–38분현재 장비와 실제 작동 영상시약 이동·온도·촬영·basecalling 구분
38–52분RCA와 경쟁 기술증폭과 읽는 화학의 차이
52–60분San Diego 생태계·정리연구기관·장비회사·제약회사의 역할
영상 운영

공식 원리 영상 2분 30초, patterned flow cell 약 1분, 실제 run 준비 약 1분, Element 원리 약 1분, 캠퍼스 두 편 합계 약 1분을 골라 본다. 긴 영상의 나머지는 선택 자료다.

Cambridge, UK — 두 교수와 화학

  • Shankar Balasubramanian: 핵산 화학 · David Klenerman: 단일분자 물리화학
  • 1997년경 단일분자 측정 논의 → 1998년 Solexa 설립
  • 매 주기 같은 분자 위치를 관찰해 “이번에 들어간 염기”를 알아내는 발상
  • Colin Barnes·Mark Osborne 등 연구진, 표면 증폭 기술과 공학의 결합으로 상용화
  • 2006 Genome Analyzer, 2007년 Illumina가 Solexa 인수

University of Cambridge · Solexa sequencing · Illumina · Sequencing history

Sanger의 멈춤을 되돌리는 화학

ddNTP · 2′-H / 3′-H OCH₂ PPPOOOOOOO⁻O⁻O⁻⁻Oγβα 염기 N9 / N11′2′3′4′5′ HH5′-O–Pα–O–Pβ–O–Pγα: 당에 가장 가까운 인산 연결 관계를 보이는 평면 도식 · 입체 배치 및 양성자화 상태 일부 생략
  • 생어 ddNTP: 3′-H라 다음 연결에 필요한 3′-OH가 없다. 그 가닥은 끝난다.
  • 가역 종결 dNTP: 3′-O의 제거 가능한 보호기로 이번 주기만 멈춘다.
  • 표지 염기를 넣고 촬영한 뒤 형광·보호기를 제거해 3′-OH를 복원한다.
  • 형광의 부착 위치와 제거 반응은 세대·시약에 따라 달라진다. 일반 원리를 특정 최신 시약의 구조로 단정하지 않는다.

Illumina · SBS technology

특허는 화학·표면·장비의 여러 층

문헌 예기술의 층읽을 부분
US7057026B2 · Labelled nucleotides표지 뉴클레오타이드·제거 가능한 보호구조와 claims에서 결합 위치·제거 조건
US6787308B2 · Arrayed biomolecules분자의 공간 배치와 판독배열에서 각각의 신호를 구분하는 방법
WO1998044151A1 · Method of nucleic acid amplification표면에서 핵산 증폭고정 프라이머와 표면 colony 형성
공로의 범위

Solexa의 두 교수만으로 전체 기술을 설명하지 않는다. 표면 증폭 특허에는 Kawashima·Farinelli·Mayer 등 별도 연구진의 기여가 있다.

US7057026B2 · Labelled nucleotides · US6787308B2 · Arrayed biomolecules · WO1998044151A1 · Surface amplification

원특허 도면 — 배열에서 무엇을 읽는가?

US6787308B2 실제 특허 도면 Figure 1
USPTO 공개 특허 · 2004-09-07 · Sheet 1 of 5
  • Balasubramanian·Klenerman의 실제 공개 특허 도면을 본다.
  • 분자·지지체·공간적 위치가 어떻게 연결되는지 본문과 함께 읽는다.
  • 특허 도면은 구현 개념의 증거다. 현재 NovaSeq X 내부 사진과 구분한다.
  • 법적 보호 범위는 도면 하나가 아니라 청구항·국가·시점에 따라 정해진다.

US6787308B2 · Arrayed biomolecules

“SBS 원천특허 만료”를 어떻게 읽을까?

개별 공개 문헌의 기술·상태 읽기 · 2026-10-31 조회

  • 예: US7057026B2는 Google Patents 공개 상태에 Expired – Lifetime, 예상 만료 2023-07-25로 표시되어 있다.
  • 이 한 건의 미국 공개 상태를 모든 나라·모든 SBS 특허의 일괄 만료로 확대할 수 없다.
  • 후속 뉴클레오타이드·효소·표면 증폭·광학·칩 특허는 별도다.
  • 새 회사는 다른 화학·검출·증폭, 라이선스, 시장 변화 등 여러 경로로 등장한다.
  • 강의 비교 기준은 특허 상태 하나보다 무엇을 복제하고 무엇을 측정하는가이다.

US7057026B2 · Labelled nucleotides

세 축으로 보면 기술이 덜 헷갈린다

축선택지서로 다른 질문
신호를 만드는 단위클론 증폭 / 단일분자DNA 사본을 먼저 많이 만드는가?
반응 위치비드·웰 / 평면·nanowell / ZMW / pore반응을 어디에 분리하는가?
판독합성 / 결합 / 라이게이션 / 전류염기를 어떤 신호로 알아내는가?
배열 없는 시대로 단순화하지 않기

비드도 배열할 수 있고, 평면 위 단일분자도 배열할 수 있다. PacBio는 ZMW 배열, ONT는 다수 pore 센서를 쓴다. “증폭 없음”과 “배열 없음”은 다른 말이다.

Illumina · SBS technology · PacBio · How HiFi works

비드에서 시작하는 두 실험

ePCR한 주형씩 분리클론 비드같은 서열 사본→센서 웰빛 또는 pH→
  • 454·Ion Torrent: 주형 DNA를 비드 위에서 증폭해 서열을 판독한다.
  • Illumina BeadArray: 특정 위치를 알아보는 프로브가 코팅된 비드로 알려진 변이를 검사한다.
  • Infinium 어레이는 genotyping·methylation의 도구이며 Illumina SBS flow cell과 다르다.
  • 두 경우 모두 비드를 쓰지만 비드 위 물질과 묻는 질문이 다르다.

Illumina · BeadArray technology · Margulies et al., Nature (2005), doi:10.1038/nature03959

BeadArray 영상 — 무엇이 고정되어 있나?

Illumina 공식 · 선택 시청: SBS와 구분하기

Illumina Infinium Assay: An Overview

BeadArray 영상 — 무엇이 고정되어 있나?

프로브 비드가 웰에 놓이고 샘플 DNA가 결합하는 부분을 선택해서 본다. 시퀀싱 클러스터와 다른 점 두 가지를 말한다.

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공식 채널의 원리 영상. 제목·채널·존재를 oEmbed로 확인(2026-10-31). 자동 재생 없음. 임베드가 제한되면 원본 링크 이용.

Illumina · Illumina Infinium Assay: An Overview

표면 클러스터 — 한 점에 같은 서열

Illumina SBS · 한 사이클에 한 염기 · 3′ 보호기는 되돌림주형 (오른쪽으로 3′→5′)3′TGCAT5′5′ACG3′TT가 A 맞은편으로 들어옴염기에 형광 · 3′-O에 보호기T3′한 염기 편입 후 일시 정지신생 가닥 말단: 3′-O-R카메라: T 신호한 점은 한 분자가 아니라 같은 서열의 클러스터염료·3′ 보호기 제거3′-OH 회복 → 다음 사이클ddNTP의 3′-H와 화학 구조가 다름표면 / flow cell클러스터 안의 대표 DNA 한 쌍을 확대
목적

한 DNA 분자의 약한 신호를 같은 서열의 여러 사본으로 키운다. 한 점에 서로 다른 주형이 섞이면 색이 혼합되어 품질이 떨어진다.

Illumina · SBS technology

무작위 bridge와 patterned flow cell

표면 결합어댑터·프라이머Bridge고전 증폭 방식→클론 점위치가 무작위→Nanowell규칙적인 위치→
  • 고전적 비패턴 flow cell: 표면에서 bridge 증폭, 클러스터 위치가 무작위
  • 패턴 flow cell: 정해진 nanowell에 클러스터를 배치해 밀도와 공간 구분을 높임
  • Exclusion amplification은 patterned 플랫폼에서 한 위치의 클론 점유를 돕는 방식
  • 현재 플랫폼 전체를 옛 bridge 영상만으로 설명하지 않는다.

Illumina · Patterned flow cells

회사 영상 — patterned flow cell

Illumina 공식 · 약 1분 발췌

Illumina | Patterned Flow Cell Technology

회사 영상 — patterned flow cell

규칙적인 웰과 점유 과정을 본다. “패턴”이 DNA 염기서열이 아니라 반응 위치를 뜻한다는 점을 확인한다.

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공식 채널의 원리 영상. 제목·채널·존재를 oEmbed로 확인(2026-10-31). 자동 재생 없음. 임베드가 제한되면 원본 링크 이용.

Illumina · Illumina | Patterned Flow Cell Technology

SBS 한 주기 — 반응·촬영·재시작

공급4종 기질한 염기 도입3′ 일시 차단→촬영점별 신호→탈보호3′-OH 복원→
  • 각 클러스터는 서로 다른 염기를 넣을 수 있지만 한 클러스터 내부 사본들은 같은 위치를 읽는다.
  • 시약 흐름은 기질·세척·절단 용액을 바꾸고, 온도 제어는 효소 반응을 돕는다.
  • 도입 자체는 분자 규모 반응이다. 장비 영상에서 보이는 시약 이동과 화학 애니메이션을 연결한다.

Illumina · SBS technology

NAS에 있던 SBS 설명 영상 — 공식 원본

NAS 원본 5:13 실제 디코딩 확인 · Illumina 공식 채널과 대조

Overview of Illumina Sequencing by Synthesis Workflow | Standard SBS chemistry

NAS에 있던 SBS 설명 영상 — 공식 원본

수업에서는 1:00–3:30을 본다. 어댑터→클러스터→도입→촬영→표지 제거의 위치를 가리킨다. 최신 patterned/XLEAP 변화는 다음 장과 비교한다.

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Illumina · Overview of Illumina Sequencing by Synthesis Workflow | Standard SBS chemistry

4색에서 2채널로 — 이미지를 염기로

이미지각 주기 촬영점별 강도채널 신호→염기 추정문맥·보정→품질값오류 확률→
  • 초기 4색 방식: 염기별 형광 채널로 도입을 구분
  • 2채널 방식: 두 이미지의 신호 조합으로 네 염기를 구분
  • NovaSeq X XLEAP-SBS는 blue·green 채널을 쓴다. 구형 red·green 표를 그대로 적용하지 않는다.
  • MiSeq i100은 세 형광 염료·두 이미지 인코딩을 쓴다. 같은 XLEAP 이름이어도 세부 구현은 확인해야 한다.

Illumina · NovaSeq X chemistry and imaging · Illumina · MiSeq i100 encoding

Phasing — 일부 사본이 발을 맞추지 못한다

  • 도입 누락·불완전한 탈보호 등으로 일부 사본이 뒤처지거나 앞서 나갈 수 있다.
  • 한 점의 신호가 여러 주기의 염기를 섞어 담으면 읽기가 어려워진다.
  • 화학의 효율, 촬영의 신호 대 잡음, 분석 보정이 함께 중요하다.
  • 높은 read 수만으로 품질을 설명하지 않는다. %Q30·유효 reads·균일도도 본다.

Illumina · SBS technology

현재 장비 — 규모에 따라 고른다

2026-10-31 공식 제품 페이지 기준 · 가격 비교 제외

제품군주로 보는 규모공통·차이
MiSeq i100 / i100 Plus작은 배치·표적·미생물 등XLEAP-SBS, 간단한 run 준비·빠른 회전
NextSeq 1000 / 2000중간 규모 WGS·RNA·단일세포 프로젝트다양한 flow cell; 모델별 지원 용량 확인
NovaSeq X / X Plus대형 코호트·높은 처리량패턴 flow cell·XLEAP-SBS; Plus는 두 flow cell 운용
현행과 과거

Genome Analyzer·HiSeq·구형 MiSeq 사진은 역사 자료다. “가장 최신”과 “지금 연구실에서 쓰는 장비”도 다르다. 수치 비교는 flow cell·cycles·소프트웨어 조건을 함께 읽는다.

Illumina · Platform comparison (2026-10-31 확인)

MiSeq i100 — 작은 배치의 실제 장비

MiSeq i100 series 공식 장비 렌더
©Illumina · 제품 페이지
MiSeq i100 run 시작 장면
©Illumina · 실제 장비 작동 영상의 제품 페이지 이미지

MiSeq i100 series

실제 실험 — MiSeq i100 run 준비

Illumina 공식 Starting a sequencing run · 약 1분 발췌

Illumina MiSeq™ i100 Series | Introduction to starting a run

실제 실험 — MiSeq i100 run 준비

시약·flow cell을 어디에 넣는지, run 정보를 언제 지정하는지 본다. 눈에 보이는 준비와 칩 안의 분자 반응을 구분한다.

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공식 채널의 원리 영상. 제목·채널·존재를 oEmbed로 확인(2026-10-31). 자동 재생 없음. 임베드가 제한되면 원본 링크 이용.

Illumina · Illumina MiSeq™ i100 Series | Introduction to starting a run

NextSeq 1000/2000 — flow cell과 출력

NextSeq 1000 및 2000 공식 장비 이미지
©Illumina · 현재 제품군
NextSeq 2000 P4 flow cell 실물
©Illumina · P4 flow cell

NextSeq 1000 / 2000

NovaSeq X — 시료가 칩으로 들어가는 장면

과학자가 NovaSeq X run을 시작하는 실제 장면
©Illumina · run setup
NovaSeq X 시약 카트리지와 flow cell
©Illumina · 시약 공급과 반응 칩

NovaSeq X series

실제 장비 — NovaSeq X run 시작

Illumina 공식 · 약 1분 발췌

Illumina NovaSeq X Series | The limits of high-throughput sequencing redefined

실제 장비 — NovaSeq X run 시작

로딩→시약 공급→자동 run의 경계를 본다. 칩의 한 점이 이후 FASTQ 한 read의 근거가 되는 과정을 앞의 SBS 그림으로 설명한다.

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Illumina · Illumina NovaSeq X Series | The limits of high-throughput sequencing redefined

고도화는 무엇을 개선했나?

부분개선 방향데이터에서 볼 결과
표면·nanowell위치·점유·밀도 제어유효 클러스터·사용 가능한 reads
효소·기질·탈보호빠르고 완전한 주기 반응주기별 Q·phasing·불완전 반응
광학·채널광 안정성·촬영 효율신호 분리·영상 획득 시간
분석·계산basecall·demultiplex·DRAGEN 등FASTQ 산출·정렬·변이 분석 시간
같은 조건에서 비교

회사 간 %Q30은 같은 시료·cycle·필터·염기 보정 조건이 아니면 직접 순위로 쓰기 어렵다. 광고 수치와 동일 조건 검증을 구분한다.

Illumina · SBS technology · Illumina · NovaSeq X chemistry and imaging

다른 회사와 비교할 세 질문

  • 1. 주형을 어디서 어떻게 늘리는가? ePCR·bridge·RCA·증폭 없음
  • 2. 한 주기에서 염기를 무엇으로 알아내는가? 도입·결합·라이게이션·전류
  • 3. 읽기가 어려운 오류는 무엇인가? 치환·호모폴리머 indel·문맥·혼합 신호
  • RCA는 원형 주형을 반복 복제하는 증폭 방법이다. RCA라는 이름만으로 판독 화학을 알 수는 없다.

MGI · DNBSEQ technology · Element · Avidite base chemistry

MGI DNBSEQ — 칩 밖 RCA와 나노볼

DNBSEQ · 원형 주형 → RCA → 나노볼 → cPASssDNAcircle삽입 DNA + adapterφ29 · RCA / RCR[insert][insert][insert]…하나의 긴 반복 ssDNADNA 나노볼패턴 배열 · 형광 cPASDNB 형성의 증폭과 판독 화학을 구분 · 초기 CG의 cPAL과도 구분
증폭과 판독

원형 주형을 RCA로 길게 복제하고 DNA nanoball로 만들어 patterned array에 올린다. 현대 cPAS의 anchor·probe/합성 신호를 초기 Complete Genomics cPAL 라이게이션과 구분한다.

MGI · DNBSEQ technology

DNBSEQ 회사 영상 — 공이 되는 DNA

MGI 공식 · 1:23 전체 또는 핵심 1분

MGI's Proprietary DNBSEQ™ Technology

DNBSEQ 회사 영상 — 공이 되는 DNA

원형화·RCA·DNB·배열·판독의 순서에서 증폭이 끝나는 지점을 찾는다. Illumina 표면 클러스터와 비교한다.

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공식 채널의 원리 영상. 제목·채널·존재를 oEmbed로 확인(2026-10-31). 자동 재생 없음. 임베드가 제한되면 원본 링크 이용.

MGI · MGI's Proprietary DNBSEQ™ Technology

Element AVITI — RCA와 avidity를 분리

원형 주형표면에 배치RCA polony동일 서열 사본→Avidite 결합여러 접촉의 형광→한 염기 신장별도 반응 단계→
  • RCA로 flow cell 위 polony를 만든다. “PCR 없음”은 “증폭 없음”이 아니다.
  • 다중 결합 avidite가 같은 polony의 복수 사본에 결합해 신호를 안정화한다.
  • 형광으로 알아보는 단계와 가닥을 한 염기 늘리는 단계를 분리해 최적화한다.
  • MGI와 RCA라는 공통점은 있지만 polony 형성과 염기 인식 구현이 다르다.

Element · Avidite base chemistry · Element AVITI

Element 공식 설명 — 인식과 신장은 언제 분리되나?

Element 공식 · Unique Chemistry · 선택 발췌

2 of 4 | Sequencing on the AVITI™ - Unique Chemistry

Element 공식 설명 — 인식과 신장은 언제 분리되나?

약 10분 전체는 선택 자료. 수업에서는 avidite 결합과 incorporation을 비교하는 부분 1분을 골라 보고 두 단계를 표시한다.

YouTube 원본으로 보기

공식 채널의 원리 영상. 제목·채널·존재를 oEmbed로 확인(2026-10-31). 자동 재생 없음. 임베드가 제한되면 원본 링크 이용.

Element Biosciences · 2 of 4 | Sequencing on the AVITI™ - Unique Chemistry

Rapid SBS · SBB · mnSBS의 차이

기술·회사주요 원리구분 포인트
Singular G4X · Rapid SBS4색 합성 기반 형광 판독G4X를 SBB로 분류하지 않기
역사적 Onso · SBB염기 결합을 측정하고 신장 단계 분리SMRT/HiFi와 별도; 현재 PacBio 공급 종료 안내
Ultima · mnSBS주로 자연 기질과 소량 표지 기질, flow 기반비드·열린 회전 wafer·광학 스캔; 일시 종결 1염기 cycle과 다름
호모폴리머와 신호

flow 방식에서는 같은 염기가 연속 도입될 수 있어 신호량과 반복 길이의 관계가 중요하다. 구체 오류율은 같은 데이터로 검증한다.

Singular · Rapid SBS on G4X · PacBio · SBB (Onso 공급 종료 안내 포함) · Simmons et al. · mnSBS 원저 (2023) · Ultima · 현재 플랫폼

비교표 — 기술 페이지를 읽는 기준

회사·기술증폭/배치염기 판독수업의 핵심 차이
Illumina표면 클러스터·patterned nanowell가역 종결 SBS도입·촬영·탈보호
MGI DNBSEQRCA DNB·patterned arraycPAS칩 밖 DNB 형성과 판독 분리
Element AVITI표면 RCA polonyAvidity 인식 + 별도 신장인식 화학과 효소 도입 분리
Singular클론·flow cell4색 Rapid SBSSBB와 혼동하지 않기
Ultima클론 비드·open wafermnSBS flow·광학동일 염기 연속 도입과 스캔
PacBio / ONT단일분자·ZMW / pore실시간 형광 / 전류증폭 없이 관측; 다음 강의

Illumina · SBS technology · MGI · DNBSEQ technology · Element · Avidite base chemistry · Singular · Rapid SBS on G4X · Simmons et al. · mnSBS 원저 (2023) · Ultima · 현재 플랫폼

San Diego — 연구와 산업이 모이는 곳

Illumina 본사 · UC San Diego · Salk · 제약·바이오텍 연구 거점

Google Maps 실제 San Diego La Jolla 지도 캡처
Google Maps 실제 캡처 · 2026-10-31 · 지도 저작권·출처 표기 원본 유지

Google Maps 원본 지도

Illumina 본사 — 회사와 캠퍼스를 함께 보기

Google Maps의 Illumina 본사와 주변 도로 실제 화면
Google Maps 실제 캡처 · 원본 표시 유지
  • 본사: 5200 Illumina Way, San Diego
  • UCSD·La Jolla 연구권과 가까운 장비·시약·분석 기업
  • 캠브리지의 화학 연구가 캘리포니아의 장비·소모품·데이터 산업으로 이어짐
  • 지도상의 거리와 실제 공동 연구 관계를 구분한다.

Illumina · Locations · Google Maps 본사

UCSD와 Salk — 가까운 별개의 기관

Google Maps의 UC San Diego와 Salk 주변 실제 지도
Google Maps 실제 캡처 · 2026-10-31
  • UC San Diego: La Jolla의 공립 연구대학·의료·생명과학 교육
  • Salk Institute: Jonas Salk가 1960년 세운 독립 연구기관
  • Louis Kahn 설계 건물은 1965년 개관; 건축과 실험실의 공존
  • Salk는 UCSD의 학과나 부속기관이 아니다.

UCSD · Visit · Salk · Virtual architecture tour

UC San Diego — 공식 캠퍼스 투어

UC San Diego Undergraduate Admissions 공식 · 선택 시청

Explore UC San Diego with a Virtual Tour

UC San Diego — 공식 캠퍼스 투어

캠퍼스 전경을 30초 정도 보고 대학·병원·연구 시설이 하나의 지역에 모여 있는 모습을 확인한다.

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공식 채널의 원리 영상. 제목·채널·존재를 oEmbed로 확인(2026-10-31). 자동 재생 없음. 임베드가 제한되면 원본 링크 이용.

UC San Diego Undergraduate Admissions · Explore UC San Diego with a Virtual Tour

Salk — 연구실을 담은 건축

Salk Institute 공식 Virtual Architecture Tour · Introduction

Salk architecture - introduction

Salk — 연구실을 담은 건축

중정·연구동이 보이는 소개 부분을 30초 정도 본다. 건축 영상이며 시퀀싱 원리 영상과 목적을 구분한다.

YouTube 원본으로 보기

공식 채널의 원리 영상. 제목·채널·존재를 oEmbed로 확인(2026-10-31). 자동 재생 없음. 임베드가 제한되면 원본 링크 이용.

Salk Institute · Salk architecture - introduction

Pfizer와 바이오텍 — 이 지역에서 하는 일

조직주요 역할시퀀싱과의 연결
UCSD · Salk · Scripps Research교육·기초 연구·새로운 표적 탐색원리·질병 기전·바이오마커
Illumina 등 장비·시약 기업판독 플랫폼·화학·분석 도구대규모 데이터 생성
Pfizer 등 제약 연구 거점약물 개발·검증·중개 연구표적 검증·암 유전체·환자 연구
현재 위치 정보

Pfizer 공식 소개는 2026년 San Diego 운영의 새 캠퍼스 이전과 oncology 연구 거점을 설명한다. 옛 La Jolla 주소를 현재 거점 지도 핀으로 재사용하지 않았다.

Pfizer · San Diego (2026 현행) · Scripps Research · About

정리 — 칩의 한 점에서 다음 강의로