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如何让DNA测序的成本更低?PNAS又出新招

2016/10/19 来源:生物探索
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导读
如何让DNA测序的成本更低?近期PNAS又出新招。研究人员开发出了一种基于生物工程纳米的新型电子DNA测序平台,该平台可以克服二代测序技术的一些缺点。


在个性化医学中,医生可以快速收集到患者DNA序列中的变化,并确定最合适的治疗方案。然而,当前利用下一代测序技术来阅读DNA序列所需的成本仍很昂贵,并且需要具备精良的仪器设备。如今,哈佛大学Wyss研究所的Church研究团队开发出了一种基于生物工程纳米的新型电子DNA测序平台,该平台可以克服二代测序技术的一些缺点。相关结果于近日发表在PNAS杂志上。

Wyss研究所的核心成员、哈佛大学医学院遗传学教授Church说,“在这项研究中,我们探讨了如何开发具有高度扩展性、高度精准的单分子DNA测序平台,且这个平台要能广泛读取环境样本以及病原体基因组,还要能实现长DNA读长,最主要的还要成本低。”

自上世纪90年代以来,Church及其团队便开始研究DNA测序的另一种方法——纳米孔测序-合成的方法(nanopore-based sequencing-by-synthesis ,Nanopore-SBS)。纳米孔是包含在能够分离两种不同电解质溶液的膜中的小孔。当碱基从膜的一端到另一端时,就会形成微小的电位差,研究人员正是通过这种变化来解释DNA分子的形状以及身份。

在Church之前的Nano-SBS的研究工作中,他将该原理与DNA四个碱基的电荷差异结合起来。在DNA聚合酶的帮助下,序列未知的DNA模板与携带特定标记的核苷酸通过互补配对原则进行配对;通过纳米孔时,核苷酸中的标记被释放出来,研究人员通过释放的标记便能实时地识别纳米孔中的DNA模板的序列。

突破难点,创造新的测序平台

但一些DNA聚合酶会把DNA模板复制到互补的核苷酸链中,从而导致纳米孔内出现冗余电流,这种情况下该方法会变得很复杂。

本文第一作者之一,Church实验室的博士后研究员P. Benjamin Stranges说,“当前该方法面临的最关键问题是缺乏准确性,因合成多个互补DNA链且向着纳米孔靠近,这产生了冗余的电子信号,这些电子信号也会进入到纳米孔中,导致最终测序结果的不准确性。如今,我们设计了一个新的测序机器,它可以提供更强大、更可靠地测序结果,并且能高度复用在数百个纳米孔的芯片中。”

这种新的测序仪器包含了7个蛋白质亚基,这些亚基构成了一个纳米复合物,其中一个亚基能精准地与纳米孔开口处的DNA复合酶偶联。该平台能够在同一芯片上复用并同时分析多个DNA序列的电位差异,因而与传统测序方法的吞吐量以及设备成本相比较,它具有大幅降低测序成本的潜力。

本文的第二作者, Wyss研究所的研究人员Mirkó Palla博士说,“我们能识别出79%-99%之间的正确核苷酸,背景噪音捕获少于1.2%,这是纳米-SBS系统的一个显著进步。”

哥伦比亚大学基因组技术和生物分子工程学院的医生们也参与了该研究。Wyss研究所主任Donald Ingber医学博士说,“这是一个典型地例子表明人类如何从分子水平上深入了解活体生物,并利用其带来突破性的技术。通过将生物大分子机器与合成纳米孔膜两者结合,再整合到常规的电子机器中,Church团队开发了一种技术,它可以创造全新的、低成本的基因诊断工具。”

备注:本文根据外文网站编译,原文如下'Poring over' DNA: Advancing nanopore sensing towards lower cost and more accurate DNA sequencing

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