聊一聊纳米孔测序

自第一代Sanger测序技术问世以来,经过几十年的努力,基因测序技术已经取得了重大进展。未来测序技术朝着单分子,长读长,小型化等方向发展。利用纳米孔高灵敏度的单分子测序为特点的测序技术被认为是最有可能成为下一代基因测序的技术,它不仅有可能将目前的基因序列分析的成本大幅降低,分析速度显著提高,还将推进基于基因治疗技术的个性化医疗向现实迈进一步。

类似于细胞计数器的库尔特原理,当分子穿过和其尺寸相近的纳米孔时,会对纳米孔通道内离子流产生显著影响,进而转化为可测量分析的电化学信号(皮安至纳安级的电信号)。

通过检测纳米孔状态变化可以得到被检测物的相关信息,其高度灵敏的电信号可以实时检测分析通孔分子的状态和结构,实现单分子检测,具有极高的检测灵敏度。

早在1996年其蛋白结构和氨基酸序列就已详细研究报道1。该蛋白孔由七个蛋白单体自组装聚合而成。最窄的地方约26Å,与DNA双链直径非常接近,在常规条件下只容单链通过。在上世纪Kasianowicz等人在α-溶血素/磷脂双分子层系统中实现了单链DNA的通孔,并成功检测了其通孔电学信号2

在接下来的二十多年对纳米孔测序研究提出了三种利用生物纳米孔测序的方案:一是DNA直接通孔测序;二是利用水解酶将DNA逐一水解核苷酸通孔测序3;三是利用四种不同标记物来标记核苷酸底物通过DNA模板在纳米孔上合成双链时标记物被切断通孔测4

生物纳米孔是运用生物孔和和磷脂双分子层系统测序的,首先磷脂双分子层系统存在不稳定性,温度pH值离子强度电场强度都会对测试系统造成一定的影响。其次生物孔的孔径是固定的,大小无法进行调节,这也就使生物纳米的功能受到了一定的限制

相比于生物孔,固态纳米孔优点在于可人工制备,首先纳米孔可以结合现在的半导体加工的技术,进行大规模的生产;其次人工制备固态纳米孔就可以调节孔径,解决了生物纳米孔功能限制的问题;最后固态纳米孔在材料应用上具有选择性,不同的材料可以相应的改变固态纳米孔的物理化学性质。然而, 作为一种新兴的测序技术,固态纳米孔在制造、测序、集成等方面也存在着诸多挑战。

现在对纳米孔用于基因测序仍在不断的深入研究,探索稳定可行的测序方法。

参考文献
1.Song, L.; Hobaugh, M. R.; Shustak, C.; Cheley, S.; Bayley, H.; Gouaux, J. E., Structure of Staphylococcal a-Hemolysin, a Heptameric Transmembrane Pore. Science 1996, 274, 1859-1866.2.Kasianowicz, J. J.; Brandin, E.; Branton, D.; Deamer, D. W., Characterization of Individual Polynucleotide Molecules Using a Membrane Channel. Proceedings of the National Academy of Sciences 1996, 93, 13770-13773.3.Branton, D.; Deamer, D. W.; Marziali, A.; Bayley, H.; Benner, S. A.; Butler, T.; Di Ventra, M.; Garaj, S.; Hibbs, A.; Huang, X., The Potential and Challenges of Nanopore Sequencing. Nat Biotechnol 2008, 26, 1146.4.Fuller, C. W., et al., Real-Time Single-Molecule Electronic DNA Sequencing by Synthesis Using Polymer-Tagged Nucleotides on a Nanopore Array. Proc Natl Acad Sci U S A 2016, 113, 5233-8.

© Copyright 2019 安序源生物科技(深圳)有限公司 All Rights Reserved.