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新概念:石墨单分子层孔道DNA测序法

 

2016年1月19日/生物谷BIOON/–美国国家标准与技术研究院(NIST)近期提出了一种高效、精确的DNA测序方法。通过将DNA分子从超薄的石墨片层结构的孔洞中拉动,通过测量石墨孔洞边缘产生的电位变化,从而实现高速、高精度、高效率的DNA测序。该方法不同于以前的桑格尔测序法以及第二代第三代测序法。相关工作发表在《Nanoscale》上。

NIST的研究表明,该方法可以在一秒钟时间内,识别约660亿个碱基, 而且有90%的准确性,并且没有假阳性(false positive)。现在的这个测序还仅仅停留在概念层次,如果真的能够被实验证明,该方法可能最终会比会常规DNA测序更快和更便宜,是真正面向未来的测序方法。

在20世纪70年代开发的常规测序,涉及分离、复制、打标签和DNA的重组件,来读取的遗传信息。NIST的新方法则基于将DNA拉过纳米孔道的理论。这个概念 开创于20年前,基于带电粒子(离子)通过纳米通道,会引起电位的变化。时至今日,这个想法仍然很流行,但会造成诸如不必要的背景电流信号噪声、或干扰,也面临着选择性不足的挑战。

相比之下,NIST的新测序流程,是要建立临时的化学键,依靠石墨烯的能力,从打破这些化学键,将机械应变信号转变为电流信号。这实际上是一个很小的应变传感器,科学家认为他们虽然没有发明完整的技术,但是提出了一个新的物理原则,即有可能是远远优于其他测序方法。由于它的电性能和小型化的薄膜结构,石墨烯是在纳米孔测序概念中非常合适。在新的NIST法,石墨烯纳米带(4.5X15.5纳米)上有多个纳米孔道(2.5纳米宽),其中可以通过碱基。

使用计算机模拟该系统在室温下在水中进行测序,胞嘧啶附着到纳米孔,可以检测到鸟嘌呤。甲单链DNA分子从纳米孔通过,当鸟嘌呤通过是,与胞嘧形成啶氢键。当DNA的不断移动,石墨烯被猛拉,然后滑回原来的位置,键锻裂,从而出现电流变化。

研究人员利用与理论相结合的模拟数据,来估计可测量信号变化的水平。信号强度是在毫安范围内,比早先的离子电流的纳米孔的方法信号更强。基于90%的准确率的性能,而无需任何误报(没有假阳性),研究人员认为,相同的DNA链的四次独立的测量将产生99.99%的精度,可以达到测序人类基因组所需要的精确度。

理论分析表明,基本的电子过滤方法,可以分离出有用的电信号,而不需要复杂的数据处理,或其他严格限制的操作条件。除了连接碱基,纳米孔,所有的传感器组件已通过其他研究小组用实验证实可行。这项研究的作者得出结论,该测序的新概念充满了希望,这可能是新一代颠覆时代的新概念。

参考原文:

Fast, accurate DNA sequencing through graphene nanopore

Nucleobase-functionalized graphene nanoribbons for accurate high-speed DNA sequencing

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