研究DNA 推进纳米孔感知 降低成本 提高DNA测序准确度

在未来的个性化医疗中，医生可以快速收集患者的DNA序列变化，使他们易患特定疾病，或仅通过分析唾液样本确定最合适的治疗方法。然而，目前，使用当前的下一代测序方法从基因组中读取DNA序列仍然是昂贵的努力，仅限于装备精良的实验室。现在，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和哈佛医学院的Church团队开发了一种基于生物工程纳米孔的新型电子DNA测序平台，可以帮助克服这些限制。该方法在美国国家科学院院刊上有报道。

“在这项研究中，我们探索了高度可扩展，准确的单分子DNA测序平台的基础，可以对环境基因组，病原体以及较低成本的长DNA读取进行广泛采样，转化精准医学，”教授，博士，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的核心教员，合成生物学平台的领导者，哈佛医学院的遗传学教授。

自20世纪90年代以来，Church和其他研究人员一直在研究一种替代DNA序列的方法，称为基于纳米孔的合成测序(Nanopore-SBS)。纳米孔是膜内的微小孔，分隔两种不同的电解质溶液。通过施加电压差，可以使连续的小带电离子分子流从膜的一侧到另一侧穿过每个孔。产生的电流变化使研究人员能够解释分子的形状并告诉他们的身份。在他之前的Nano-SBS工作中，Church将这一原理应用于四种DNA核苷酸的电辨别。在DNA聚合酶的帮助下，未知序列的DNA模板被复制到由四种不同核苷酸组成的互补串中，它们中的每一个都带有核苷酸特异性合成标签。然后将庞大的标签连续释放到纳米孔中，在那里可以实时识别它们。

当几个DNA聚合酶分子将它们的DNA模板序列复制成互补的核苷酸串时，该方法很复杂，这些核苷酸串在纳米孔中混合并且还引发孔隙电流的混合系列变化。

“当时该方法的一个关键问题是它缺乏准确性。这是因为在纳米孔开口附近合成了不止一条互补的DNA链，这会在孔内产生混杂的电信号，而这些信号不再与单个细胞相关。原来的DNA模板分子。但是我们现在设计了一种新的测序引擎，它可以提供稳定可靠的测序结果，可以装载不同的DNA模板，并且可以在由数百个纳米孔组成的芯片中高度多路复用，可以通过电极单独寻址。“ Benjamin Stranges，博士，博士与教会合作，是该研究的两位首批作者之一。

这种新的测序引擎包含七个蛋白质亚基，它们共同构建了一个合适的纳米孔复合物。它们中只有一个可以与位于孔开口处的DNA聚合酶特异性缀合。

能够同时在同一芯片上以电子方式多重和单独分析许多DNA序列，与以低得多的通量进行的常规测序程序以及昂贵的试剂和机器相比，具有显着降低测序成本的潜力。

“我们能够在79%-99%的时间内识别正确的核苷酸，并且只发现被分类为真实捕获的背景事件的时间不到1.2%，”MirkóPalla博士说，他是第二位作者。该研究和Wyss研究所的研究员。“这比之前的Nanopore-SBS系统有了显着的进步。”

该研究的其他作者来自哥伦比亚大学基因组技术与生物分子工程中心和内外科医师学院，以及同时提供半导体芯片的Genia Technologies。

“这项技术就是我们如何深入理解生命系统如何在分子尺度上发挥作用以开发突破性技术的一个很好的例子，”Wyss研究所创始主任Donald Ingber，医学博士，博士，犹大人说。哈佛医学院血管生物学助理教授和波士顿儿童医院血管生物学项目，哈佛大学生物工程学教授John A. Paulson工程与应用科学学院。“通过将纳米孔形式的工程大分子机器与合成膜相结合，然后将它们与传统电子设备相结合，教会团队创造了一种能够开发全新低成本基因诊断的能力。”