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

能夠進行這種快速可靠測序的第三代DNA測序裝置已經開發(fā)多年。一些設備能夠檢測和讀取DNA分子，因為它們被驅動通過納米孔，只有2納米或約十億分之一米的微小孔，可以區(qū)??分組成的四個堿基的獨特電子信號DNA：腺嘌呤，胸腺嘧啶，胞嘧啶和鳥嘌呤。第一批基于納米孔的DNA測序裝置預計將于2014年上映。

眾所周知，納米孔測序只是國家人類基因組研究(NHGRI)受贈者目前正在追求的許多有前途的技術之一，以實現(xiàn)1000美元或更低的高質量人類基因組測序。

NHGRI于2004年啟動了這項工作，并獲得了其高級DNA測序技術計劃的首批撥款。

當時，Sanger測序可以使用100臺機器生產高質量的人類或其他哺乳動物基因組草圖，持續(xù)3到4個月，耗資2000萬美元。人類基因組計劃使用了Sanger測序。

該計劃的最初五年目標是開發(fā)第二代或下一代(NextGen)測序技術，這可以將人類基因組測序的成本降低兩個數(shù)量級至100,000美元。由于NHGRI計劃以及其他學術和私人努力，該計劃目標得以實現(xiàn)并超越。這些努力使得使用較少的第一代測序儀所需的昂貴化學試劑的技術小型化。更重要的是，新技術能夠同時讀取數(shù)百萬次而不是數(shù)百次測序反應。

今天在實驗室中使用的NextGen DNA測序技術可以在一周內在一臺機器上對人類基因組進行測序，因為這些機器每次處理大約10億個樣品。每個基因組的成本降至約20,000美元。

盡管最近媒體報道稱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，納米孔測序顯示出大幅削減測序成本的巨大希望。除了其他優(yōu)點之外，它需要很少或不需要化學試劑或昂貴的光學系統(tǒng)來檢測許多當前NextGen裝置采用的DNA堿基。

“幾年來，科學家和工程師一直對使用納米孔作為低成本DNA測序問題解決方案的潛力感興趣，”NHGRI技術開發(fā)項目總監(jiān)Jeffery Schloss博士說。“最終，我們希望這些設備能夠從組織或血液樣本中分離DNA并快速測序非常長的DNA分子。這些電子設備使用簡單，價格低廉，可以直接連接到收集和整理數(shù)據(jù)的計算機上。 “

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

研究人員正在采取各種方法來克服實現(xiàn)納米孢子DNA測序的其余障礙。一些研究人員正在開發(fā)使用蛋白質或天然納米孔的方法，因為它們具有原子級精確性。換句話說，它們的直徑非常接近DNA的大小，并且納米孔的內部形狀和電荷可以通過化學和遺傳方式進行操作以執(zhí)行新功能 - 例如識別每個DNA堿基 - 這與它們的不同在自然中做。

由Hagan Bayley博士和他在英國牛津大學的同事開發(fā)的測序方法依賴于來自細菌金黃色葡萄球菌的膜蛋白的天然蛋白質納米孔，稱為α-溶血素。在2010年9月8日的Nano Letters雜志上，他們報道了他們修改了納米孔中的三個點之一，這些點允許DNA堿基在通過納米孔時被準確識別。

接下來的一周，在美國國家科學院院刊中，由阿拉巴馬大學伯明翰分校的Michael Niederweis博士和西雅圖華盛頓大學的Jens Gundlach博士領導的研究小組對各個核苷酸進行了區(qū)分。使用不同的蛋白質納米孔，來自細菌的糞類中的孔蛋白A蛋白，恥垢分枝桿菌。該組對納米孔進行遺傳修飾以檢測單個DNA亞基。

除了測序DNA之外，基于納米孔的裝置可能能夠對DNA分子進行其他分析。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標記以及癌癥等疾病。Bayley的研究小組在2010年11月21日發(fā)表的“ 化學通訊 ”雜志上報道，他們的蛋白質納米孔(其堿基鑒別位點已被修飾)可以識別表觀遺傳DNA修飾。

蛋白質納米孔并非沒有問題。“在自然界和開發(fā)這項技術的實驗室中，蛋白質納米孔位于脂質雙層(制造細胞膜的材料)中，這往往是脆弱的，容易被破壞，”Schloss說。“然而，Bayley和Gundlach以及其他使用蛋白質納米孔的人正在采用優(yōu)雅的解決方案來解決這些問題。”

其他團體正在制造鉆入絕緣材料中的人造或固態(tài)納米孔。幾個小組正在使用原子級薄石墨層(稱為石墨烯)來制造固態(tài)納米孔。石墨烯特別有趣，因為它可以用作納米孔和電連接，使得構建測序裝置更容易。石墨烯片也足夠薄以滿足查詢DNA鏈內單個DNA亞基的要求。

Jene Golovchenko，博士，Daniel Branton，博士，以及他們在哈佛大學和麻省理工學院的同事，報告了2010年9月9日問題中首次通過石墨烯納米孔傳輸DNA的示范之一的性質。石墨烯片分隔兩個含有液體溶液的腔室。研究小組表明，當DNA分子通過這些納米孔時，可以檢測到它們，因為它們可以阻止液體腔室之間的離子流動。

另一種測量納米孔中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的兩個電極之間流動的電流。該隧穿電流對電極之間的距離敏感，并且當分子置于電極之間時，電流改變并且可能潛在地用于識別分子。

來自亞利桑那州立大學的Stuart Lindsay博士及其同事已經證明，使用電子隧道技術可以識別出作為較大鏈的一部分的單個DNA堿基。他們在2010年12月出版的“ 自然納米技術”雜志上發(fā)表的論文描述了使用附著在電極上的化學“指狀物”，從一個微小間隙的兩側指向通過它們之間的DNA鏈。這些手指短暫地識別每個堿基并允許電流通過，區(qū)分四個DNA堿基。

“自納米孔測序研究開始以來，人們設想了兩種檢測模式。其中一種，離子將流過與DNA平行的孔隙，不同的DNA堿基會在不同程度上阻斷離子，從而可以識別每種離子?；A身份，“Schloss說。“第二種模式是隧道效應，其中電流穿過孔隙，穿過各個基底。這是隧道探測對DNA鏈中包含的單個核苷酸起作用的第一個證明。但是，仍然存在許多挑戰(zhàn)。尋求建立一個強大的電子隧道DNA測序裝置。“

無論使用哪種納米孔或測量方案，必須解決的一個問題是控制DNA分子通過納米孔移動的速度，稱為易位，因此它減慢到單個堿基存在足夠長的程度被認可。

Xinsheng Sean Ling，Ph.D。位于羅德島普羅維登斯的布朗大學的同事正在開發(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，其與沿著待測序的較長DNA分子的相應堿基對匹配。Ling的研究成果發(fā)表在2010年8月20日的納米技術雜志上，結果表明，當DNA被電場拉入納米孔時，附著在DNA上的塑料珠會產生阻力，從而減緩DNA的易位。

其他人正在研究在納米孔的開口處放置DNA聚合酶(一種通常參與細胞中DNA復制的酶)的功效。聚合酶捕獲DNA分子并充當各種分子棘輪扳手，允許DNA聚合物一次前進一個核苷酸通過納米孔。在這種工具的幫助下，每個DNA堿基將保留在納米孔內的關鍵位置，持續(xù)一段時間，以毫秒為單位 - 足夠的時間進行鑒定。

加利福尼亞大學圣克魯茲分校的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，在時間易位控制中證明了單堿基。美國化學學會于2010年12月22日報道。第一篇論文報道了用于將DNA拉入孔中的快速電子器件的精確控制，以便與允許DNA移動的酶的活性達到平衡。一次一個DNA亞基。第二篇論文討論了允許使用更簡單的電子學的不同酶。

在2010年1月發(fā)表在Nano Letters的 ASAP頁面上的一篇文章中，Bayley的小組通過基因工程設計了“分子制動器”，這是一種縮短DNA轉位速度的蛋白質納米孔的狹窄通道。

NHGRI資助的研究人員和團隊的所有進展以及其他實驗室的相關工作正在為納米孔DNA測序技術的發(fā)展做出重大貢獻。最后，Schloss指出，進入診所的納米孔平臺和設備可能會使用各種技術。他預測，如果將這些技術整合到強大的系統(tǒng)中，他們有朝一日可能會改變生命科學和醫(yī)學實踐。