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測序新技術迎來新一輪變革「變革時代的技術」

我們知道測序技術尤其是二代測序技術極大的改變了生物醫學的研究方法,隨著三代測序技術和單細胞測序技術的迸發,生命科學的研究進入了前所未有的深度。然而時代的腳步沒有停滯,

在最新一期的Nature Nanotechnology上,新型第三代測序出爐,前所未有的將DNA檢測量降低5個數量級,這項技術,將極有可能在諸多測序技術以及檢測技術上產生深遠的影響。

單分子即時(SMRT)DNA測序已經展現了前所未有的潛力。在SMRT測序中,使用螢光標記的dNTP類似物光學測量了單個DNA聚合酶的DNA鏈複製。

SMRT測序的一個重要組成部分是零模式波導(ZMW),其中DNA聚合酶複合物被固定化在zeptolitre體積圓柱形腔(〜100nm直徑和高度)。 SMRT測序與第二代測序方法的主要優點包括超過10,000個堿基的長平均讀取長度和小的GC差異,這對於長片段測序至關重要,以及通過監測直接檢測DNA堿基修飾的能力聚合酶動力學。除DNA測序外,ZMW已經被用於單分子RNA測序和表觀遺傳學以及各種其他單分子研究。

SMRT測序的關鍵限制步驟是將長DNA範本載入到ZMW限制中。對於要測序的DNA範本,聚合酶結合的DNA範本必須通過生物素 - 鏈黴親和素(Stv)化學結合到ZMW的底部,這是在ZMW內需要大量DNA取樣時間的過程。長DNAs的平衡流體動力學直徑(> 560 nm,> 10,000個堿基對(bp))和ZMW直徑(100-150 nm)之間的不平衡會在擴散條件下產生分子進入的熵屏障。在擴散條件下阻礙了短DNA範本進入,或者反過來,有利於更短的DNA從短期DNA逃逸中的限制中快速逃逸。

雖然已經開發了磁珠測定來提高負載效率,但輸入DNA需求仍然高於納克級,並且關鍵是要將較短的DNA片段完全去除以避免競爭性結合。因此,儘管用於從低輸入DNA(例如亞納克)製備測序文庫的可行方法,SMRT測序從低輸入文庫(例如來自針活組織檢查和單細胞)的表觀遺傳學的潛力可以只有當亞納米輸入可以有效地載入到ZMW中時才能實現。

科學家們最近引入了納米孔ZMW(NZMWs),

其允許將DNA分子從溶液快速電荷載入到ZMW腔中。在該裝置中,在其基部具有納米孔的波導陣列位於薄的絕緣膜上。跨NZMWs施加電壓會產生一個電場,將電荷分子吸入定序位置。在這項工作中,科學家們研究電泳包裝和DNA分子在NZMWs內的結合。我們發現,DNA負載率實際上與DNA長度無關,總體負載效率比擴散載入/結合高5-6個數量級。最後,科學家們展示了亞納米數量的20,000 bp DNA範本的快速載入,
並顯示了該範本序列的原理四色序列讀數。