麻省理工學(xué)院技術(shù)評(píng)論將納米孔測(cè)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(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序，“可以使基因組測(cè)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(cè)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(dāng)。雖然牛津尚未將其產(chǎn)品商業(yè)化，但其他幾家公司已進(jìn)入納米孔游戲市場。

基于納米孔的DNA測(cè)序涉及將單個(gè)DNA鏈穿過膜中的微孔。堿基 - DNA的化學(xué)字母 - 在擠壓納米孔時(shí)一次讀取一個(gè)。通過測(cè)量它們對(duì)離子和流過孔的電流的影響的差異來識(shí)別堿基。用于DNA測(cè)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(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序提供了許多優(yōu)于現(xiàn)有方法的潛在優(yōu)勢(shì)。它的成本更低，而且可以更快地實(shí)時(shí)完成?？梢砸槐橛忠槐榈匮芯肯嗤姆肿?。目前大多數(shù)技術(shù)都比這更復(fù)雜。DNA必須被分離，化學(xué)標(biāo)記和復(fù)制。它必須被拆分，小段必須多次排序。

快速且廉價(jià)的DNA測(cè)序方法可對(duì)臨床護(hù)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(gè)人患特定疾病或病癥的風(fēng)險(xiǎn)，或者是藥物的最佳選擇。

在國家人類基因組研究所(NHGRI)，負(fù)責(zé)管理Advanced Sequencing Technology資助的基因組技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目主任Jeffery A. Schloss博士看到了使用納米孔進(jìn)行DNA測(cè)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?yàn)樗梢韵绱硕嗟奶幚頃r(shí)間，并且可以讓我們一次準(zhǔn)確讀取長的DNA片段，”Schloss博士說，他也是NHGRI的主任?；蚪M科學(xué)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(xiàng)新贈(zèng)款。這項(xiàng)計(jì)劃始于2004年，并未首次向納米孔技術(shù)領(lǐng)域的研究人員提供贈(zèng)款。

最近，由NHGRI受助人Amit Meller博士領(lǐng)導(dǎo)的波士頓大學(xué)和以色列理工大學(xué)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(dòng)，從而可以更容易地讀取構(gòu)成每個(gè)分子的四個(gè)堿基。

Meller博士在2013年11月出版的“ 自然納米技術(shù) ” 雜志上報(bào)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(jìn)入的DNA的相反方向上拖動(dòng)水分子，起到制動(dòng)器的作用并減緩其通過孔的通道。因此，孔中的納米級(jí)傳感器將更準(zhǔn)確地讀取進(jìn)入孔的每個(gè)核苷酸。

博士解釋說：“通過隨意打開和關(guān)閉激光，或增加或降低強(qiáng)度，我們可以修改水流并減緩DNA運(yùn)動(dòng)，從而更容易實(shí)時(shí)讀取通過納米孔的DNA。”梅勒，波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程副教授。

大多數(shù)目前使用納米孔的DNA測(cè)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(duì)于給傳感器足夠的時(shí)間來區(qū)分堿基是必要的。其他團(tuán)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(dòng)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(gè)問題的一個(gè)非常重要的步驟，”Schloss博士說。

正在進(jìn)行的工作

梅勒博士說，由于使用納米孔對(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序可能不如現(xiàn)有方法復(fù)雜和直接，DNA測(cè)序裝置也可能變得更小，最終達(dá)到智能手機(jī)的大小。

在DNA測(cè)序中使用納米孔也具有其他優(yōu)點(diǎn)。

加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校和華盛頓大學(xué)的兩個(gè)研究小組最近表明，由蛋白質(zhì)制成的納米孔也可以識(shí)別特定的表觀遺傳變化，這些變化是在細(xì)胞內(nèi)DNA的整個(gè)生命周期中發(fā)生的。這只能通過常規(guī)DNA測(cè)序方法引入許多生化處理步驟來實(shí)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(dāng)前DNA測(cè)序技術(shù)的一個(gè)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(duì)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(gè)“讀取”可能長達(dá)數(shù)千個(gè)堿基 - 而不是數(shù)百個(gè) - 這可能意味著更少的計(jì)算，更少的基因遺漏，更高的準(zhǔn)確性和更少的DNA測(cè)序時(shí)間。

納米孔技術(shù)還可以使科學(xué)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(fù)。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(cè)。

納米孔領(lǐng)域有兩個(gè)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(jìn)一步發(fā)展中。蛋白質(zhì)納米孔似乎更好地識(shí)別核苷酸，而合成孔應(yīng)該持續(xù)更長時(shí)間并且可以大規(guī)模生產(chǎn)。它們還可以使用用于制造計(jì)算機(jī)芯片的相同的，良好開發(fā)的方法集成到電子設(shè)備中。

雖然梅勒博士的團(tuán)隊(duì)正在使用光來減緩DNA通過合成納米孔的進(jìn)展，但許多研究人員正在使用聚合酶，這是一種分子馬達(dá)，可以通過毛孔拖動(dòng)DNA，一次一個(gè)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(cè)序方法商業(yè)化。

“NHGRI投資納米孔技術(shù)是因?yàn)樗@示出巨大的希望，”Schloss博士說。“這是一個(gè)相對(duì)年輕的領(lǐng)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(cè)序。”