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纳米孔DNA测序旧挑战的新方法

gecimao 发表于 2019-04-13 15:58 | 查看: | 回复:

  麻省理工学院技术评论将纳米孔测序命名为今年“十大突破性技术”之一。他说,利用纳米孔技术对DNA进行测序,“可以使基因组测序成为常规医疗程序。” 总部位于英国的牛津纳米孔技术公司(Oxford Nanopore Technologies)去年宣布,该公司打算开始销售一种基于纳米孔的一次性基因测序装置,该装置的尺寸与可插入笔记本电脑的USB记忆棒相当。虽然牛津尚未将其产品商业化,但其他几家公司已进入纳米孔游戏市场。

  基于纳米孔的DNA测序涉及将单个DNA链穿过膜中的微孔。碱基 - DNA的化学字母 - 在挤压纳米孔时一次读取一个。通过测量它们对离子和流过孔的电流的影响的差异来识别碱基。用于DNA测序的纳米孔非常小,可能直径仅约2纳米。相反,人的头发是100,000纳米宽。

  使用纳米孔对DNA进行测序提供了许多优于现有方法的潜在优势。它的成本更低,而且可以更快地实时完成。可以一遍又一遍地研究相同的分子。目前大多数技术都比这更复杂。DNA必须被分离,化学标记和复制。它必须被拆分,小段必须多次排序。

  快速且廉价的DNA测序方法可对临床护理和研究产生显着影响。例如,临床医生可以使用这些信息来帮助确定一个人患特定疾病或病症的风险,或者是药物的最佳选择。

  “由于多种原因,直接读取DNA非常有吸引力,特别是因为它可以消除如此多的处理时间,并且可以让我们一次准确读取长的DNA片段,”Schloss博士说,他也是NHGRI的主任。基因组科学系。

  NHGRI投入了大量资源开发纳米孔技术,其中包括2013年9月的五项新赠款。这项计划始于2004年,并未首次向纳米孔技术领域的研究人员提供赠款。

  最近,由NHGRI受助人Amit Meller博士领导的波士顿大学和以色列理工大学的研究人员为解决纳米孔的老问题提出了新的转折。DNA链通过微孔的快速速度使得区分碱基变得更加困难。他们发现,照射一定波长的光可以减缓DNA通过合成纳米孔的流动,从而可以更容易地读取构成每个分子的四个碱基。

  Meller博士在2013年11月出版的“ 自然纳米技术 ” 杂志上报道 ,通过在由氮化硅薄层制成的合成纳米孔上发射低功率绿色激光,可以增加靠近墙壁的电荷。孔,浸在盐水中。随着电流的增加,正离子在进入的DNA的相反方向上拖动水分子,起到制动器的作用并减缓其通过孔的通道。因此,孔中的纳米级传感器将更准确地读取进入孔的每个核苷酸。

  博士解释说:“通过随意打开和关闭激光,或增加或降低强度,我们可以修改水流并减缓DNA运动,从而更容易实时读取通过纳米孔的DNA。”梅勒,波士顿大学生物医学工程副教授。

  大多数目前使用纳米孔的DNA测序方法使用放置在蛋白质孔的入口处的酶来控制DNA通过的速率。这对于给传感器足够的时间来区分碱基是必要的。其他团体正在尝试使用合成毛孔和酶来减缓DNA。

  “Meller博士的小组观察可能允许使用光通过合成孔动态控制这种速率。如果这种技术成功,它可能是解决这个问题的一个非常重要的步骤,”Schloss博士说。

  梅勒博士说,由于使用纳米孔对DNA进行测序可能不如现有方法复杂和直接,DNA测序装置也可能变得更小,最终达到智能手机的大小。

  加利福尼亚大学圣克鲁兹分校和华盛顿大学的两个研究小组最近表明,由蛋白质制成的纳米孔也可以识别特定的表观遗传变化,这些变化是在细胞内DNA的整个生命周期中发生的。这只能通过常规DNA测序方法引入许多生化处理步骤来实现。这些新研究表明,使用纳米孔可以避免这些步骤。了解这些表观遗传变化可能有助于为疾病的发展和新疗法提供新的见解。

  当前DNA测序技术的一个令人烦恼的问题是“读取长度”或可以区分的连续碱基对的数量。使用纳米孔,长的DNA片段可以在毛孔中来回拉伸,并且可以读取数次。每个“读取”可能长达数千个碱基 - 而不是数百个 - 这可能意味着更少的计算,更少的基因遗漏,更高的准确性和更少的DNA测序时间。

  纳米孔技术还可以使科学家更容易发现DNA的变化 - 例如,涉及DNA片段从一条染色体跳到另一条染色体,以及拷贝数变异,其中DNA序列一遍又一遍地重复。这些类型的变化通常在癌症和其他疾病中起作用,并且使用现有方法难以检测。

  纳米孔领域有两个平行的发展轨道:蛋白质和合成。在这两种类型中,蛋白质孔隙在进一步发展中。蛋白质纳米孔似乎更好地识别核苷酸,而合成孔应该持续更长时间并且可以大规模生产。它们还可以使用用于制造计算机芯片的相同的,良好开发的方法集成到电子设备中。

  虽然梅勒博士的团队正在使用光来减缓DNA通过合成纳米孔的进展,但许多研究人员正在使用聚合酶,这是一种分子马达,可以通过毛孔拖动DNA,一次一个碱基。几家公司接近将涉及蛋白质纳米孔和聚合酶的第一种纳米孔DNA测序方法商业化。

  “NHGRI投资纳米孔技术是因为它显示出巨大的希望,”Schloss博士说。“这是一个相对年轻的领域,并且还有很长的路要走,以证明纳米孔最终将有效用于DNA测序。”

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