新DNA測序方法每秒識別660億堿基

美國國家標準與技術研究所（NIST）模擬了一個新型快速測序概念：通過將DNA從超薄的石墨片層結構的孔洞中拉動，通過測量石墨孔洞邊緣產生的電位變化，從而實現高速、高精度、高效率的DNA測序，該方法每秒可識別660億個堿基，準確度為90%且無假陽性。

DNA測序經歷了Sanger測序、二代測序（高通量測序）及三代測序（納米孔測序），日前，美國國家標準與技術研究所（NIST）模擬了一個新型基因測序概念：通過將DNA分子從微小的、具有化學活性的石墨孔洞中拉動，通過測量石墨孔洞邊緣產生的電位變化來實現高速、高精度、高效率的DNA測序；研究人員表明，該方法每秒可識別660億個堿基，準確度為90%且無假陽性；如果該方法通過實驗驗證，那么將比傳統的測序方法速度更快，成本更低。相關研究結果于近日發表于《Nanoscale》雜志上。

NIST提出的新型DNA測序方法與納米孔測序原理的延伸，依賴于帶電粒子（離子）通過納米孔道引發電位變化。盡管一直以來都受歡迎，但帶電粒子（離子）通過納米孔道引發電位變化也面臨很多挑戰，如不必要的電信號噪聲、干擾以及選擇性不足。為了克服這些困擾，NIST提出的新建議是創建臨時的化學鍵和依賴于石墨烯的能力打破這些化學鍵，并將產生的機械應變信號轉變為電流信號。引領該項目的NIST理論家Alex Smolyanitsky說，"這本質上是一個微型壓力傳感器，我們并沒有發明一個完整的技術，只是提出了一個新的物理原理。"

由于電氣性和微型薄膜結構，石墨烯在納米孔測序中很受歡迎。在NIST提出的新方法中，單層石墨納米帶（4.5*15.5nm）附有多個納米通道（寬度為2.5nm）。于室溫下在水中模擬傳感器的工作原理：胞嘧啶可附著在納米孔中，通過堿基配對原理可檢測出鳥嘌呤；單鏈DNA分子可通過納米孔；當鳥嘌呤通過孔道時，與胞嘧啶形成氫鍵；隨著DNA單鏈在孔道中移動，石墨烯被猛拉再滑回到原來的位置，氫鍵斷裂，從而機械應變信號轉變為電流信號。

NIST的研究主要集中于DNA鏈如何影響石墨烯的電學性能，并發現臨時的電流變化確實發生在目標堿基通過孔道的瞬間。為了能檢測ACTG四個堿基，擁有不同插入孔的四個石墨烯帶需垂直堆疊以創建一個集成的DNA傳感器。

研究人員將模擬數據與理論想結合起來評估可測信號的變化水平。結果發現信號強度在毫安范圍，比早期的離子電流納米孔方法要強些。基于90%的準確率和無假陽性，研究人員認為DNA鏈四個堿基的獨立檢測可使準確率達99.99%，這個準確率也是人類所需的。

作者最后得出結論：該方法提供了一個無需先進的數據處理、顯微鏡或高度受限的操作環境便可實現DNA傳感的技術。除了將堿基附著到納米孔上，其他所有的傳感組件均已被其他研究小組的試驗證實。理論分析表明基本的電子過濾方法可以過濾有用的電信號，該方法將同樣可用于其他應變敏感膜，如二硫化鉬。

回顧納米孔測序

新型納米孔測序法（nanopore sequencing）是采用電泳技術，借助電泳驅動單個分子逐一通過納米孔 來實現測序的。由于納米孔的直徑非常細小，僅允許單個核酸聚合物通過，因而可以在此基礎上使用多種方 法來進行高通量檢測。此外，納米級別的孔徑保證了檢測具有良好的持續性，所以測序的準確度非常高。對 于長達1,000個堿基的單鏈DNA分子、RNA分子或者更短的核酸分子而言，根本無需進行擴增或標記就可以 使用納米孔測序法進行檢測，這使得便宜、快速地進行

DNA測序成為可能

1996年哈佛大學的Daniel Branton、加州大學的David Deamer及其同事，在美國國家科學院院刊PNAS雜志上首次發表文章指出，可以用膜通道檢測多核苷酸序列。2005年，Bayley、Gordon Sanghera和Spike Wilcocks創立的Oxford Nanopore公司正式登場。為了開發穩定可靠的納米孔測序平臺，該公司從2007年開始研發以蛋白為基礎的納米孔測序系統。2012年，該公司在AGBT(基因組生物學技術進展年會)上發布了自己的納米孔系統——MinION，從此納米孔測序真正實現了商業化。然而，納米孔測序目前還處于發展初期，錯誤率等技術問題還有待突破。