第四代:新型纳米孔测序技术

DNA测序是揭示分子水平遗传变异的最有力的方法,使我们在生理环境和病理状态下更好地了解我们的身体。这也是是通往更好的诊断和个性化医疗漫漫长路的开端。

 

尽管DNA测序技术已经取得了巨大的进步,但仍然面临很多挫折。比如耗时的样品制备、复杂的数据处理算法、生产能力低、高成本和读取长度短。例如桑格法,是DNA测序的常用方法,通常需要两个工作日,一个PCR步骤和大量核酸片段,产生可以通过凝胶电泳检测的条带。可以说,仍然有一些调整需要做。

 

桑格测序被认为是第一代测序方法,以扩增为基础的大规模平行测序技术是第二代测序,单分子测序是第三代。经过三代测序技术的发展,DNA测序技术正在进入单分子纳米孔测序技术的时代——第四代

 

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  纳 米 孔 测 序 原 理   

 

从20世纪90年代,纳米孔测序就已经发现,Church et al和Deamer and Akeson分别提出了利用纳米传感器对DNA进行测序的可能性。

 

纳米孔测序的原理是如果每个碱基在通过一个小通道(纳米孔)的DNA传输过程中产生不同的离子电流,这样就可以区分不同的核苷酸。纳米孔通常存在于生物膜或者固态薄膜上,分离出含有导电电解质的两个隔间。电极浸在每个隔间里,由此产生的电场使溶液中的电解质离子通过电泳的方式穿过孔隙,产生离子电流信号。当孔隙被堵塞时,由于生物分子的通过,电流也会被阻塞。通过分析阻塞的幅值和持续时间,可以确定目标分子的物理和化学性质。在测序中,每一个核苷酸都以不同的方式阻断通道,从而产生不同的振幅和持续时间,这些信息再转化为DNA序列信息。纳米技术大致分为两类:生物和固态。

 

  应 用  

1.医疗诊断

基于纳米孔的诊断工具有如下优点:

  • 可以检测低浓度的目标分子;
  • 可以再屏幕上显示生物标记或基因;
  • 以低成本提供快速分析;
  • 它消除了繁琐的放大与转换步骤,减少偏差和错误。

 

  1. 纳米孔测序有潜力成为在基因组和表观基因组学中有力的工具。

 

  1. 这项技术可用于癌症诊断和治疗,通过对MicroRNA(miRNA—癌症生物标记物)的检测和准确定量,以及对异常DNA甲基化的检测(可作为强大的癌症标志物)。因此,在肿瘤诊断、分期、进展、预后和治疗反应方面,有很广阔的发展前途。

 

  1. 由于纳米孔测序可以快速产生结果,它是一种诊断传染病的强有力的工具。实际上,阅读长度的优势和病原体识别的时间在医院环境中是至关重要的,时间可能意味着成功治疗和死亡的区别。

 

  1. Oxford Nanopore Technologies公司开发了第一个使用纳米孔技术的便携式DNA测序仪MinION,成功地分析了非洲的埃博拉病毒样本。令人惊讶的是,对埃博拉病毒序列的确认只需要15分钟的时间。

 

  优 缺 点  

 

纳米孔的显著优势包括无标记、超长阅读、高通量、低的材料需求,并且不会受PCR所引入的扩增偏差的影响,每一个都大大简化了实验过程,并且可以很容易地用于DNA测序应用。

然而,有两大挑战需要克服:传输速度非常快、信号灵敏度低。DNA分子通过通道的速度大约1base/μs, 对于可靠地探测不同的核苷酸来说速度太高了。这就使得很难区分四种核苷酸,导致低灵敏度。此外,尽管已经有一些很好的纳米粒测序的应用,但它很容易出错。它的错误率比目前的生化测序平台高,对全长测序来说并不是一个好的选择,例如SNP测序。但是,仍有改进的余地,纳米孔测序正在逐日改进,真正进入第四代测序方法的时代只是一个时间问题。

 

jieweitu

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