在未來的個性化醫(yī)療中，醫(yī)生可以快速收集患者的DNA序列變化，使他們易患特定疾病，或僅通過分析唾液樣本確定最合適的治療方法。然而，目前，使用當(dāng)前的下一代測序方法從基因組中讀取DNA序列仍然是昂貴的努力，僅限于裝備精良的實驗室?，F(xiàn)在，哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所和哈佛醫(yī)學(xué)院的Church團(tuán)隊開發(fā)了一種基于生物工程納米孔的新型電子DNA測序平臺，可以幫助克服這些限制。該方法在美國國家科學(xué)院院刊上有報道。

“在這項研究中，我們探索了高度可擴展，準(zhǔn)確的單分子DNA測序平臺的基礎(chǔ)，可以對環(huán)境基因組，病原體以及較低成本的長DNA讀取進(jìn)行廣泛采樣，轉(zhuǎn)化精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)，”教授，博士，哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的核心教員，合成生物學(xué)平臺的領(lǐng)導(dǎo)者，哈佛醫(yī)學(xué)院的遺傳學(xué)教授。

自20世紀(jì)90年代以來，Church和其他研究人員一直在研究一種替代DNA序列的方法，稱為基于納米孔的合成測序(Nanopore-SBS)。納米孔是膜內(nèi)的微小孔，分隔兩種不同的電解質(zhì)溶液。通過施加電壓差，可以使連續(xù)的小帶電離子分子流從膜的一側(cè)到另一側(cè)穿過每個孔。產(chǎn)生的電流變化使研究人員能夠解釋分子的形狀并告訴他們的身份。在他之前的Nano-SBS工作中，Church將這一原理應(yīng)用于四種DNA核苷酸的電辨別。在DNA聚合酶的幫助下，未知序列的DNA模板被復(fù)制到由四種不同核苷酸組成的互補串中，它們中的每一個都帶有核苷酸特異性合成標(biāo)簽。然后將龐大的標(biāo)簽連續(xù)釋放到納米孔中，在那里可以實時識別它們。

當(dāng)幾個DNA聚合酶分子將它們的DNA模板序列復(fù)制成互補的核苷酸串時，該方法很復(fù)雜，這些核苷酸串在納米孔中混合并且還引發(fā)孔隙電流的混合系列變化。

“當(dāng)時該方法的一個關(guān)鍵問題是它缺乏準(zhǔn)確性。這是因為在納米孔開口附近合成了不止一條互補的DNA鏈，這會在孔內(nèi)產(chǎn)生混雜的電信號，而這些信號不再與單個細(xì)胞相關(guān)。原來的DNA模板分子。但是我們現(xiàn)在設(shè)計了一種新的測序引擎，它可以提供穩(wěn)定可靠的測序結(jié)果，可以裝載不同的DNA模板，并且可以在由數(shù)百個納米孔組成的芯片中高度多路復(fù)用，可以通過電極單獨尋址。“ Benjamin Stranges，博士，博士與教會合作，是該研究的兩位首批作者之一。

這種新的測序引擎包含七個蛋白質(zhì)亞基，它們共同構(gòu)建了一個合適的納米孔復(fù)合物。它們中只有一個可以與位于孔開口處的DNA聚合酶特異性綴合。

能夠同時在同一芯片上以電子方式多重和單獨分析許多DNA序列，與以低得多的通量進(jìn)行的常規(guī)測序程序以及昂貴的試劑和機器相比，具有顯著降低測序成本的潛力。

“我們能夠在79%-99%的時間內(nèi)識別正確的核苷酸，并且只發(fā)現(xiàn)被分類為真實捕獲的背景事件的時間不到1.2%，”MirkóPalla博士說，他是第二位作者。該研究和Wyss研究所的研究員。“這比之前的Nanopore-SBS系統(tǒng)有了顯著的進(jìn)步。”

該研究的其他作者來自哥倫比亞大學(xué)基因組技術(shù)與生物分子工程中心和內(nèi)外科醫(yī)師學(xué)院，以及同時提供半導(dǎo)體芯片的Genia Technologies。

“這項技術(shù)就是我們?nèi)绾紊钊肜斫馍到y(tǒng)如何在分子尺度上發(fā)揮作用以開發(fā)突破性技術(shù)的一個很好的例子，”Wyss研究所創(chuàng)始主任Donald Ingber，醫(yī)學(xué)博士，博士，猶大人說。哈佛醫(yī)學(xué)院血管生物學(xué)助理教授和波士頓兒童醫(yī)院血管生物學(xué)項目，哈佛大學(xué)生物工程學(xué)教授John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院。“通過將納米孔形式的工程大分子機器與合成膜相結(jié)合，然后將它們與傳統(tǒng)電子設(shè)備相結(jié)合，教會團(tuán)隊創(chuàng)造了一種能夠開發(fā)全新低成本基因診斷的能力。”