麻省理工學院技術(shù)評論將納米孔測序命名為今年“十大突破性技術(shù)”之一。他說，利用納米孔技術(shù)對DNA進行測序，“可以使基因組測序成為常規(guī)醫(yī)療程序。” 總部位于英國的牛津納米孔技術(shù)公司(Oxford Nanopore Technologies)去年宣布，該公司打算開始銷售一種基于納米孔的一次性基因測序裝置，該裝置的尺寸與可插入筆記本電腦的USB記憶棒相當。雖然牛津尚未將其產(chǎn)品商業(yè)化，但其他幾家公司已進入納米孔游戲市場。

基于納米孔的DNA測序涉及將單個DNA鏈穿過膜中的微孔。堿基 - DNA的化學字母 - 在擠壓納米孔時一次讀取一個。通過測量它們對離子和流過孔的電流的影響的差異來識別堿基。用于DNA測序的納米孔非常小，可能直徑僅約2納米。相反，人的頭發(fā)是100,000納米寬。

使用納米孔對DNA進行測序提供了許多優(yōu)于現(xiàn)有方法的潛在優(yōu)勢。它的成本更低，而且可以更快地實時完成。可以一遍又一遍地研究相同的分子。目前大多數(shù)技術(shù)都比這更復雜。DNA必須被分離，化學標記和復制。它必須被拆分，小段必須多次排序。

快速且廉價的DNA測序方法可對臨床護理和研究產(chǎn)生顯著影響。例如，臨床醫(yī)生可以使用這些信息來幫助確定一個人患特定疾病或病癥的風險，或者是藥物的最佳選擇。

在國家人類基因組研究所(NHGRI)，負責管理Advanced Sequencing Technology資助的基因組技術(shù)計劃項目主任Jeffery A. Schloss博士看到了使用納米孔進行DNA測序的巨大潛力。

“由于多種原因，直接讀取DNA非常有吸引力，特別是因為它可以消除如此多的處理時間，并且可以讓我們一次準確讀取長的DNA片段，”Schloss博士說，他也是NHGRI的主任?；蚪M科學系。

NHGRI投入了大量資源開發(fā)納米孔技術(shù)，其中包括2013年9月的五項新贈款。這項計劃始于2004年，并未首次向納米孔技術(shù)領域的研究人員提供贈款。

最近，由NHGRI受助人Amit Meller博士領導的波士頓大學和以色列理工大學的研究人員為解決納米孔的老問題提出了新的轉(zhuǎn)折。DNA鏈通過微孔的快速速度使得區(qū)分堿基變得更加困難。他們發(fā)現(xiàn)，照射一定波長的光可以減緩DNA通過合成納米孔的流動，從而可以更容易地讀取構(gòu)成每個分子的四個堿基。

Meller博士在2013年11月出版的“ 自然納米技術(shù) ” 雜志上報道 ，通過在由氮化硅薄層制成的合成納米孔上發(fā)射低功率綠色激光，可以增加靠近墻壁的電荷?？?，浸在鹽水中。隨著電流的增加，正離子在進入的DNA的相反方向上拖動水分子，起到制動器的作用并減緩其通過孔的通道。因此，孔中的納米級傳感器將更準確地讀取進入孔的每個核苷酸。

博士解釋說：“通過隨意打開和關閉激光，或增加或降低強度，我們可以修改水流并減緩DNA運動，從而更容易實時讀取通過納米孔的DNA。”梅勒，波士頓大學生物醫(yī)學工程副教授。

大多數(shù)目前使用納米孔的DNA測序方法使用放置在蛋白質(zhì)孔的入口處的酶來控制DNA通過的速率。這對于給傳感器足夠的時間來區(qū)分堿基是必要的。其他團體正在嘗試使用合成毛孔和酶來減緩DNA。

“Meller博士的小組觀察可能允許使用光通過合成孔動態(tài)控制這種速率。如果這種技術(shù)成功，它可能是解決這個問題的一個非常重要的步驟，”Schloss博士說。

正在進行的工作

梅勒博士說，由于使用納米孔對DNA進行測序可能不如現(xiàn)有方法復雜和直接，DNA測序裝置也可能變得更小，最終達到智能手機的大小。

在DNA測序中使用納米孔也具有其他優(yōu)點。

加利福尼亞大學圣克魯茲分校和華盛頓大學的兩個研究小組最近表明，由蛋白質(zhì)制成的納米孔也可以識別特定的表觀遺傳變化，這些變化是在細胞內(nèi)DNA的整個生命周期中發(fā)生的。這只能通過常規(guī)DNA測序方法引入許多生化處理步驟來實現(xiàn)。這些新研究表明，使用納米孔可以避免這些步驟。了解這些表觀遺傳變化可能有助于為疾病的發(fā)展和新療法提供新的見解。

當前DNA測序技術(shù)的一個令人煩惱的問題是“讀取長度”或可以區(qū)分的連續(xù)堿基對的數(shù)量。使用納米孔，長的DNA片段可以在毛孔中來回拉伸，并且可以讀取數(shù)次。每個“讀取”可能長達數(shù)千個堿基 - 而不是數(shù)百個 - 這可能意味著更少的計算，更少的基因遺漏，更高的準確性和更少的DNA測序時間。

納米孔技術(shù)還可以使科學家更容易發(fā)現(xiàn)DNA的變化 - 例如，涉及DNA片段從一條染色體跳到另一條染色體，以及拷貝數(shù)變異，其中DNA序列一遍又一遍地重復。這些類型的變化通常在癌癥和其他疾病中起作用，并且使用現(xiàn)有方法難以檢測。

納米孔領域有兩個平行的發(fā)展軌道：蛋白質(zhì)和合成。在這兩種類型中，蛋白質(zhì)孔隙在進一步發(fā)展中。蛋白質(zhì)納米孔似乎更好地識別核苷酸，而合成孔應該持續(xù)更長時間并且可以大規(guī)模生產(chǎn)。它們還可以使用用于制造計算機芯片的相同的，良好開發(fā)的方法集成到電子設備中。

雖然梅勒博士的團隊正在使用光來減緩DNA通過合成納米孔的進展，但許多研究人員正在使用聚合酶，這是一種分子馬達，可以通過毛孔拖動DNA，一次一個堿基。幾家公司接近將涉及蛋白質(zhì)納米孔和聚合酶的第一種納米孔DNA測序方法商業(yè)化。

“NHGRI投資納米孔技術(shù)是因為它顯示出巨大的希望，”Schloss博士說。“這是一個相對年輕的領域，并且還有很長的路要走，以證明納米孔最終將有效用于DNA測序。”