由弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)物理學(xué)家Jason Reed博士領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家開發(fā)了新的納米技術(shù)，可以改變致病基因突變被診斷和發(fā)現(xiàn)的方式。在今天發(fā)表在“自然通訊”雜志上的一項(xiàng)研究中描述，這種新方法使用高速原子力顯微鏡(AFM)結(jié)合基于CRISPR的化學(xué)條形碼技術(shù)，在處理大部分基因組時，幾乎與DNA測序一樣準(zhǔn)確地定位DNA以更快的速度。更重要的是 - 該技術(shù)可以通過普通DVD播放機(jī)中的部件提供動力。

人類基因組由數(shù)十億個DNA堿基對組成。解開后，它延伸到近六英尺長。當(dāng)細(xì)胞分裂時，它們必須為新細(xì)胞制作DNA拷貝。然而，有時DNA的各個部分被錯誤地復(fù)制或粘貼在錯誤的位置，導(dǎo)致導(dǎo)致癌癥等疾病的基因突變。DNA測序非常精確，可以分析DNA的各個堿基對。但是，為了分析基因組的大部分以發(fā)現(xiàn)基因突變，技術(shù)人員必須確定數(shù)百萬個微小序列，然后將它們與計(jì)算機(jī)軟件拼湊在一起。相比之下，生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)如熒光原位雜交(FISH)只能以數(shù)十萬堿基對的分辨率分析DNA。

Reed的新型高速AFM方法可以將DNA映射到數(shù)十個堿基對的分辨率，同時創(chuàng)建高達(dá)一百萬個堿基對的圖像。它使用DNA測序所需樣品量的一小部分。

“DNA測序是一種強(qiáng)大的工具，但它仍然相當(dāng)昂貴，并且具有一些技術(shù)和功能限制，使得難以有效和準(zhǔn)確地繪制大部分基因組圖譜，”Jason Reed博士說道，他是該研究的首席研究員。研究。Reed是VCU Massey癌癥中心癌癥分子遺傳學(xué)研究項(xiàng)目的成員，也是VCU人文與科學(xué)學(xué)院物理系的副教授。“我們的方法填補(bǔ)了DNA測序與缺乏分辨率的其他物理作圖技術(shù)之間的差距。它可以作為一個獨(dú)立的方法使用，或者它可以通過在拼接期間分析的小部分基因組時減少復(fù)雜性和錯誤來補(bǔ)充DNA測序。排序過程。“

IBM科學(xué)家在1989年制定AFM技術(shù)并使用相關(guān)技術(shù)在原子水平重新排列分子以拼出“IBM”時成為頭條新聞。AFM通過使用微型觸控筆實(shí)現(xiàn)這種細(xì)節(jié)水平 - 類似于唱機(jī)上的針 - 幾乎不接觸被研材料的表面。觸筆和分子之間的相互作用產(chǎn)生圖像。然而，傳統(tǒng)的AFM對于醫(yī)療應(yīng)用而言太慢，因此主要由材料科學(xué)的工程師使用。

“我們的設(shè)備與AFM的工作方式相同，但我們以更高的速度移動樣品并使用光學(xué)儀器檢測觸針和分子之間的相互作用。我們可以達(dá)到與傳統(tǒng)AFM相同的細(xì)節(jié)水平但是可以快速處理材料一千倍以上，“里德說，他的團(tuán)隊(duì)證明，通過使用DVD播放器中的光學(xué)設(shè)備，可以將技術(shù)納入主流。“高速AFM非常適合某些醫(yī)療應(yīng)用，因?yàn)樗梢钥焖偬幚聿牧?，并提供比同類成像方法高出?shù)百倍的分辨率。”

提高原子力顯微鏡的速度只是里德和他的同事必須克服的障礙。為了真正識別DNA中的基因突變，他們必須開發(fā)一種在DNA分子表面放置標(biāo)記或標(biāo)記的方法，以便識別模式和不規(guī)則性。使用一種CRISPR技術(shù)開發(fā)了一種巧妙的化學(xué)條形碼解決方案。

最近，CRISPR在基因編輯方面取得了很多頭條新聞。CRISPR是一種科學(xué)家能夠使用靶向RNA“編程”的酶，以便在細(xì)胞自身修復(fù)的精確位置切割DNA。里德的團(tuán)隊(duì)改變了CRISPR酶的化學(xué)反應(yīng)條件，使其僅粘附在DNA上，實(shí)際上并沒有切割它。

“因?yàn)镃RISPR酶是一種物理上比DNA分子大的蛋白質(zhì)，所以它非常適合這種條形碼應(yīng)用，”里德說。“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)這種方法在與DNA分子結(jié)合方面的效率接近90%。而且因?yàn)楹苋菀卓吹紺RISPR蛋白質(zhì)，你可以發(fā)現(xiàn)DNA中模式的基因突變。”

為了證明該技術(shù)的有效性，研究人員繪制了淋巴瘤患者淋巴結(jié)活檢中存在的遺傳易位圖。當(dāng)一部分DNA被復(fù)制并粘貼到基因組中的錯誤位置時，就會發(fā)生易位。它們在諸如淋巴瘤的血癌中尤其普遍，但也存在于其他癌癥中。

雖然這項(xiàng)技術(shù)有許多潛在的用途，但Reed和他的團(tuán)隊(duì)正專注于醫(yī)療應(yīng)用。他們目前正在開發(fā)基于現(xiàn)有算法的軟件，這些算法可以分析大小超過一百萬個堿基對的DNA片段中的模式。一旦完成，就不難想象病理實(shí)驗(yàn)室中的這種鞋盒大小的儀器有助于診斷和治療與基因突變相關(guān)的疾病。