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利用纳米孔方法改进基因组排序

教育部科技发展中心网

    据教育部科技发展中心网2006年4月10日报道：美国加州大学圣迭戈分校的物理学家们近日发展了一种快速、廉价的DNA排序技术，他们把DNA链通过一个非常小的纳米孔，然后测量得到的电学信号，从而确定DNA链上的各种基的排序。这项技术将使基于基因组的个性化医学发展更接近于实际应用。研究论文发表在4月的《Nano Letters》杂志上。
    在论文中，科学家们提出了一种在几个小时内测量人类基因组排序的廉价的新方法。他们把DNA链穿过一个非常小的孔，然后测量由此产生的电子学涨落。而用现在的DNA排序技术，对一个人的基因组排序需要花几个月的时间和几百万美元，所以研究人员们说他们的新方法可能会对医学产生革命性的影响。加州大学圣迭戈分校副教授Massimiliano Di Ventra说：“利用现在的DNA排序技术对单个人的基因组进行排序，并用于医学治疗太慢、太贵了，所以并不现实。我们的方法可能使这个梦想实现。”
    物理学家们对DNA分子的运动和电子学涨落进行数学计算和计算机模型，提出了一种识别组成DNA链的四种不同的基（A，G，C，T）的方法。他们使用了直径大约一纳米的氮化硅孔，氮化硅在一般的纳米结构中很常用，实用也很方便。小孔旁边放置有两个金电极，它们可以记录下DNA链通过小孔时垂直于DNA链的电流信息。因为每种DNA基的结构和化学性质都是不同的，所以它们给出的电子学信号也不同。
    以前的用小孔测量DNA排序的方法之所以不成功，主要是因为DNA链上打了结或有弯折，这样就给信号引入了非常大的噪声。新方法利用了垂直于DNA链的电流的特性，它减小了DNA结构带来的信号涨落，所以它可以使噪声最小化。
    加州理工学院物理研究生Michael Zwolak说：“如果自然界太刻薄的话，那么DNA链通过小孔给出的电子学涨落信号就给不出辨别DNA基的有用信息。但是，我们发明了一种特殊的方法，利用纳米孔/电极系统压低DNA链结构的影响，使得它不足以湮灭用于识别不同基的有用信号。”
    尽管如此，研究人员们还是认为有一些障碍需要克服，因为没有人能做出带有特定结构电极的纳米孔，但是研究人员们认为这只是一个时间问题，总会有人能够做出这种元件的。纳米孔和电极都能单独的做出来，但是要把它们组装到一起一直是一个技术难题，这个领域发展很快，所有有望在不久的将来解决这个问题。
    纳米孔方法除了速度快、费用少之外，它另一个重要的优势是错误率比现在的方法少。加州大学圣迭戈分校物理研究生、论文的第一作者Johan Lagerqvist说：“我们提出的DNA排序方法比现有的桑格方法的错误少。我们的方法可以对含有几万个配对基的DNA链，甚至是一条完整的DNA链进行排序。桑格方法需要把DNA链切成很多小段，复制DNA分子，然后用很多排序工具，这都会引入很多额外的错误。”
    这项研究是由美国国家自然科学基金会和国家卫生研究所（NIH）下属的国家人类基因组研究所提供资金支持。
    Di Ventra说：“我们并不是把研究对象看作是DNA，在我们眼中，它仅仅是一束原子和电子，我们可以预言并控制它们的行为。”

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