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

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。當細胞分裂時，它們必須為新細胞制作DNA拷貝。然而，有時DNA的各個部分被錯誤地復制或粘貼在錯誤的位置，導致導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，技術人員必須確定數(shù)百萬個微小序列，然后用計算機軟件將它們拼湊在一起。相比之下，生物醫(yī)學成像技術如熒光原位雜交(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測序是一種強有力的工具，但它仍然非常昂貴，并且具有一些技術和功能限制，使得難以有效和準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研究項目的成員，也是VCU人文與科學學院物理系的副教授。“我們的方法填補了DNA測序與缺乏分辨率的其他物理繪圖技術之間的差距。它可以作為一個獨立的方法使用，或者它可以通過在拼接期間分析的小部分基因組中減少復雜性和錯誤來補充DNA測序。排序過程。“

IBM科學家在1989年制定AFM技術并使用相關技術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現(xiàn)這種細節(jié)水平 - 類似于唱機上的針 - 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生了圖像。然而，傳統(tǒng)的AFM對于醫(yī)療應用而言太慢，因此主要由材料科學的工程師使用。“我們的設備與AFM的工作方式相同，但我們以更快的速度移動樣品并使用光學儀器檢測觸針和分子之間的相互作用。我們可以達到與傳統(tǒng)AFM相同的細節(jié)水平但是處理材料的速度要快一千倍，“里德說，他的團隊證明，通過使用DVD播放器中的光學設備，可以將技術納入主流。“高速AFM非常適合某些醫(yī)療應用，因為它可以快速處理材料，并提供比同類成像方法高出數(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分子表面放置標記或標記的方法，以便識別模式和不規(guī)則性。使用CRISPR技術的形式開發(fā)了一種巧妙的化學條形碼解決方案。

最近，CRISPR在基因編輯方面取得了很多頭條新聞。CRISPR是一種科學家能夠使用靶向RNA“編程”的酶，以便在細胞自身修復的精確位置切割DNA。Reed的團隊改變了CRISPR酶的化學反應條件，使其僅粘附在DNA上，實際上并沒有切割它。“由于CRISPR酶是一種物理上比DNA分子大的蛋白質，因此它非常適合這種條形碼應用，”里德說。“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)這種方法在與DNA分子結合時效率接近90%。而且因為很容易看到CRISPR蛋白質，你可以發(fā)現(xiàn)DNA模式中的基因突變。”

為了證明該技術的有效性，研究人員繪制了淋巴瘤患者淋巴結活檢中存在的遺傳易位圖。當一部分DNA被復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。

雖然這項技術有許多潛在的用途，但Reed和他的團隊正專注于醫(yī)療應用。他們目前正在開發(fā)基于現(xiàn)有算法的軟件，該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，就不難想象病理實驗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的疾病。