我們即將在醫(yī)生辦公室的手持設(shè)備上快速測(cè)序小血樣的那一天。通過(guò)分析您的DNA，您的醫(yī)生將獲得關(guān)于您當(dāng)前健康狀況以及您將來(lái)可能易受傷害的疾病的重要信息。

能夠進(jìn)行這種快速可靠測(cè)序的第三代DNA測(cè)序裝置已經(jīng)開(kāi)發(fā)多年。一些設(shè)備能夠檢測(cè)和讀取DNA分子，因?yàn)樗鼈儽或?qū)動(dòng)通過(guò)納米孔，只有2納米或約十億分之一米的微小孔，可以區(qū)??分組成的四個(gè)堿基的獨(dú)特電子信號(hào)DNA：腺嘌呤，胸腺嘧啶，胞嘧啶和鳥(niǎo)嘌呤。第一批基于納米孔的DNA測(cè)序裝置預(yù)計(jì)將于2014年上映。

眾所周知，納米孔測(cè)序只是國(guó)家人類基因組研究(NHGRI)受贈(zèng)者目前正在追求的許多有前途的技術(shù)之一，以實(shí)現(xiàn)1000美元或更低的高質(zhì)量人類基因組測(cè)序。

NHGRI于2004年啟動(dòng)了這項(xiàng)工作，并獲得了其高級(jí)DNA測(cè)序技術(shù)計(jì)劃的首批撥款。

當(dāng)時(shí)，Sanger測(cè)序可以使用100臺(tái)機(jī)器生產(chǎn)高質(zhì)量的人類或其他哺乳動(dòng)物基因組草圖，持續(xù)3到4個(gè)月，耗資2000萬(wàn)美元。人類基因組計(jì)劃使用了Sanger測(cè)序。

該計(jì)劃的最初五年目標(biāo)是開(kāi)發(fā)第二代或下一代(NextGen)測(cè)序技術(shù)，這可以將人類基因組測(cè)序的成本降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)至100,000美元。由于NHGRI計(jì)劃以及其他學(xué)術(shù)和私人努力，該計(jì)劃目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)并超越。這些努力使得使用較少的第一代測(cè)序儀所需的昂貴化學(xué)試劑的技術(shù)小型化。更重要的是，新技術(shù)能夠同時(shí)讀取數(shù)百萬(wàn)次而不是數(shù)百次測(cè)序反應(yīng)。

今天在實(shí)驗(yàn)室中使用的NextGen DNA測(cè)序技術(shù)可以在一周內(nèi)在一臺(tái)機(jī)器上對(duì)人類基因組進(jìn)行測(cè)序，因?yàn)檫@些機(jī)器每次處理大約10億個(gè)樣品。每個(gè)基因組的成本降至約20,000美元。

盡管最近媒體報(bào)道稱1000美元的基因組不可避免，并且最早可能在今年發(fā)生，但仍存在困難的障礙。盡管如此，納米孔測(cè)序顯示出大幅削減測(cè)序成本的巨大希望。除了其他優(yōu)點(diǎn)之外，它需要很少或不需要化學(xué)試劑或昂貴的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)許多當(dāng)前NextGen裝置采用的DNA堿基。

“幾年來(lái)，科學(xué)家和工程師一直對(duì)使用納米孔作為低成本DNA測(cè)序問(wèn)題解決方案的潛力感興趣，”NHGRI技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目總監(jiān)Jeffery Schloss博士說(shuō)。“最終，我們希望這些設(shè)備能夠從組織或血液樣本中分離DNA并快速測(cè)序非常長(zhǎng)的DNA分子。這些電子設(shè)備使用簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可以直接連接到收集和整理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)上。 “

根據(jù)Schloss的說(shuō)法，獲得成本非常低的基因組的承諾將使DNA測(cè)序成為常規(guī)的臨床測(cè)試，就像今天作為醫(yī)療保健常規(guī)部分進(jìn)行的血液測(cè)試一樣。而對(duì)于生物醫(yī)學(xué)研究人員來(lái)說(shuō)，低成本將允許數(shù)千名患有疾病的人的基因組序列與來(lái)自健康個(gè)體的基因組序列進(jìn)行比較。以這種規(guī)模對(duì)基因組進(jìn)行測(cè)序的能力將允許對(duì)諸如糖尿病，精神健康障礙和心臟病等多種疾病進(jìn)行前所未有的理解。

研究人員正在采取各種方法來(lái)克服實(shí)現(xiàn)納米孢子DNA測(cè)序的其余障礙。一些研究人員正在開(kāi)發(fā)使用蛋白質(zhì)或天然納米孔的方法，因?yàn)樗鼈兙哂性蛹?jí)精確性。換句話說(shuō)，它們的直徑非常接近DNA的大小，并且納米孔的內(nèi)部形狀和電荷可以通過(guò)化學(xué)和遺傳方式進(jìn)行操作以執(zhí)行新功能 - 例如識(shí)別每個(gè)DNA堿基 - 這與它們的不同在自然中做。

由Hagan Bayley博士和他在英國(guó)牛津大學(xué)的同事開(kāi)發(fā)的測(cè)序方法依賴于來(lái)自細(xì)菌金黃色葡萄球菌的膜蛋白的天然蛋白質(zhì)納米孔，稱為α-溶血素。在2010年9月8日的Nano Letters雜志上，他們報(bào)道了他們修改了納米孔中的三個(gè)點(diǎn)之一，這些點(diǎn)允許DNA堿基在通過(guò)納米孔時(shí)被準(zhǔn)確識(shí)別。

接下來(lái)的一周，在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊中，由阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校的Michael Niederweis博士和西雅圖華盛頓大學(xué)的Jens Gundlach博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組對(duì)各個(gè)核苷酸進(jìn)行了區(qū)分。使用不同的蛋白質(zhì)納米孔，來(lái)自細(xì)菌的糞類中的孔蛋白A蛋白，恥垢分枝桿菌。該組對(duì)納米孔進(jìn)行遺傳修飾以檢測(cè)單個(gè)DNA亞基。

除了測(cè)序DNA之外，基于納米孔的裝置可能能夠?qū)NA分子進(jìn)行其他分析。例如，這些裝置可能能夠區(qū)分表觀基因組中的DNA甲基化模式，DNA在正常發(fā)育中起重要作用的化學(xué)標(biāo)記以及癌癥等疾病。Bayley的研究小組在2010年11月21日發(fā)表的“ 化學(xué)通訊 ”雜志上報(bào)道，他們的蛋白質(zhì)納米孔(其堿基鑒別位點(diǎn)已被修飾)可以識(shí)別表觀遺傳DNA修飾。

蛋白質(zhì)納米孔并非沒(méi)有問(wèn)題。“在自然界和開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室中，蛋白質(zhì)納米孔位于脂質(zhì)雙層(制造細(xì)胞膜的材料)中，這往往是脆弱的，容易被破壞，”Schloss說(shuō)。“然而，Bayley和Gundlach以及其他使用蛋白質(zhì)納米孔的人正在采用優(yōu)雅的解決方案來(lái)解決這些問(wèn)題。”

其他團(tuán)體正在制造鉆入絕緣材料中的人造或固態(tài)納米孔。幾個(gè)小組正在使用原子級(jí)薄石墨層(稱為石墨烯)來(lái)制造固態(tài)納米孔。石墨烯特別有趣，因?yàn)樗梢杂米骷{米孔和電連接，使得構(gòu)建測(cè)序裝置更容易。石墨烯片也足夠薄以滿足查詢DNA鏈內(nèi)單個(gè)DNA亞基的要求。

Jene Golovchenko，博士，Daniel Branton，博士，以及他們?cè)诠鸫髮W(xué)和麻省理工學(xué)院的同事，報(bào)告了2010年9月9日問(wèn)題中首次通過(guò)石墨烯納米孔傳輸DNA的示范之一的性質(zhì)。石墨烯片分隔兩個(gè)含有液體溶液的腔室。研究小組表明，當(dāng)DNA分子通過(guò)這些納米孔時(shí)，可以檢測(cè)到它們，因?yàn)樗鼈兛梢宰柚挂后w腔室之間的離子流動(dòng)。

另一種測(cè)量納米孔中DNA堿基的潛在策略稱為電子隧穿。該概念涉及在由小間隙分開(kāi)的兩個(gè)電極之間流動(dòng)的電流。該隧穿電流對(duì)電極之間的距離敏感，并且當(dāng)分子置于電極之間時(shí)，電流改變并且可能潛在地用于識(shí)別分子。

來(lái)自亞利桑那州立大學(xué)的Stuart Lindsay博士及其同事已經(jīng)證明，使用電子隧道技術(shù)可以識(shí)別出作為較大鏈的一部分的單個(gè)DNA堿基。他們?cè)?010年12月出版的“ 自然納米技術(shù)”雜志上發(fā)表的論文描述了使用附著在電極上的化學(xué)“指狀物”，從一個(gè)微小間隙的兩側(cè)指向通過(guò)它們之間的DNA鏈。這些手指短暫地識(shí)別每個(gè)堿基并允許電流通過(guò)，區(qū)分四個(gè)DNA堿基。

“自納米孔測(cè)序研究開(kāi)始以來(lái)，人們?cè)O(shè)想了兩種檢測(cè)模式。其中一種，離子將流過(guò)與DNA平行的孔隙，不同的DNA堿基會(huì)在不同程度上阻斷離子，從而可以識(shí)別每種離子。基礎(chǔ)身份，“Schloss說(shuō)。“第二種模式是隧道效應(yīng)，其中電流穿過(guò)孔隙，穿過(guò)各個(gè)基底。這是隧道探測(cè)對(duì)DNA鏈中包含的單個(gè)核苷酸起作用的第一個(gè)證明。但是，仍然存在許多挑戰(zhàn)。尋求建立一個(gè)強(qiáng)大的電子隧道DNA測(cè)序裝置。“

無(wú)論使用哪種納米孔或測(cè)量方案，必須解決的一個(gè)問(wèn)題是控制DNA分子通過(guò)納米孔移動(dòng)的速度，稱為易位，因此它減慢到單個(gè)堿基存在足夠長(zhǎng)的程度被認(rèn)可。

Xinsheng Sean Ling，Ph.D。位于羅德島普羅維登斯的布朗大學(xué)的同事正在開(kāi)發(fā)一種固態(tài)納米孔方法，該方法使用稱為探針的已知DNA序列的短片段，其與沿著待測(cè)序的較長(zhǎng)DNA分子的相應(yīng)堿基對(duì)匹配。Ling的研究成果發(fā)表在2010年8月20日的納米技術(shù)雜志上，結(jié)果表明，當(dāng)DNA被電場(chǎng)拉入納米孔時(shí)，附著在DNA上的塑料珠會(huì)產(chǎn)生阻力，從而減緩DNA的易位。

其他人正在研究在納米孔的開(kāi)口處放置DNA聚合酶(一種通常參與細(xì)胞中DNA復(fù)制的酶)的功效。聚合酶捕獲DNA分子并充當(dāng)各種分子棘輪扳手，允許DNA聚合物一次前進(jìn)一個(gè)核苷酸通過(guò)納米孔。在這種工具的幫助下，每個(gè)DNA堿基將保留在納米孔內(nèi)的關(guān)鍵位置，持續(xù)一段時(shí)間，以毫秒為單位 - 足夠的時(shí)間進(jìn)行鑒定。

加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校的Mark Akeson博士及其同事最近在2010年11月發(fā)表在Nature Nanotechnology和Journal上的論文中，使用三種不同類型的DNA聚合酶，在時(shí)間易位控制中證明了單堿基。美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)于2010年12月22日?qǐng)?bào)道。第一篇論文報(bào)道了用于將DNA拉入孔中的快速電子器件的精確控制，以便與允許DNA移動(dòng)的酶的活性達(dá)到平衡。一次一個(gè)DNA亞基。第二篇論文討論了允許使用更簡(jiǎn)單的電子學(xué)的不同酶。

在2010年1月發(fā)表在Nano Letters的 ASAP頁(yè)面上的一篇文章中，Bayley的小組通過(guò)基因工程設(shè)計(jì)了“分子制動(dòng)器”，這是一種縮短DNA轉(zhuǎn)位速度的蛋白質(zhì)納米孔的狹窄通道。

NHGRI資助的研究人員和團(tuán)隊(duì)的所有進(jìn)展以及其他實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)工作正在為納米孔DNA測(cè)序技術(shù)的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。最后，Schloss指出，進(jìn)入診所的納米孔平臺(tái)和設(shè)備可能會(huì)使用各種技術(shù)。他預(yù)測(cè)，如果將這些技術(shù)整合到強(qiáng)大的系統(tǒng)中，他們有朝一日可能會(huì)改變生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)實(shí)踐。