美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)近期提出了一種高效、精確的DNA測(cè)序方法。通過(guò)將DNA分子從超薄的石墨片層結(jié)構(gòu)的孔洞中拉動(dòng)，通過(guò)測(cè)量石墨孔洞邊緣產(chǎn)生的電位變化，從而實(shí)現(xiàn)高速、高精度、高效率的DNA測(cè)序。該方法不同于以前的桑格爾測(cè)序法以及第二代第三代測(cè)序法。相關(guān)工作發(fā)表在《Nanoscale》上。

　　NIST的研究表明，該方法可以在一秒鐘時(shí)間內(nèi)，識(shí)別約660億個(gè)堿基， 而且有90%的準(zhǔn)確性，并且沒(méi)有假陽(yáng)性(false positive)。現(xiàn)在的這個(gè)測(cè)序還僅僅停留在概念層次，如果真的能夠被實(shí)驗(yàn)證明，該方法可能最終會(huì)比會(huì)常規(guī)DNA測(cè)序更快和更便宜，是真正面向未來(lái)的測(cè)序方法。

　　在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的常規(guī)測(cè)序，涉及分離、復(fù)制、打標(biāo)簽和DNA的重組件，來(lái)讀取的遺傳信息。NIST的新方法則基于將DNA拉過(guò)納米孔道的理論。這個(gè)概念 開(kāi)創(chuàng)于20年前，基于帶電粒子(離子)通過(guò)納米通道，會(huì)引起電位的變化。時(shí)至今日，這個(gè)想法仍然很流行，但會(huì)造成諸如不必要的背景電流信號(hào)噪聲、或干擾，也面臨著選擇性不足的挑戰(zhàn)。

　　相比之下，NIST的新測(cè)序流程，是要建立臨時(shí)的化學(xué)鍵，依靠石墨烯的能力，從打破這些化學(xué)鍵，將機(jī)械應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)。這實(shí)際上是一個(gè)很小的應(yīng)變傳感器，科學(xué)家認(rèn)為他們雖然沒(méi)有發(fā)明完整的技術(shù)，但是提出了一個(gè)新的物理原則，即有可能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他測(cè)序方法。由于它的電性能和小型化的薄膜結(jié)構(gòu)，石墨烯是在納米孔測(cè)序概念中非常合適。在新的NIST法，石墨烯納米帶(4.5X15.5納米)上有多個(gè)納米孔道(2.5納米寬)，其中可以通過(guò)堿基。

　　使用計(jì)算機(jī)模擬該系統(tǒng)在室溫下在水中進(jìn)行測(cè)序，胞嘧啶附著到納米孔，可以檢測(cè)到鳥(niǎo)嘌呤。甲單鏈DNA分子從納米孔通過(guò)，當(dāng)鳥(niǎo)嘌呤通過(guò)是，與胞嘧形成啶氫鍵。當(dāng)DNA的不斷移動(dòng)，石墨烯被猛拉，然后滑回原來(lái)的位置，鍵鍛裂，從而出現(xiàn)電流變化。

　　研究人員利用與理論相結(jié)合的模擬數(shù)據(jù)，來(lái)估計(jì)可測(cè)量信號(hào)變化的水平。信號(hào)強(qiáng)度是在毫安范圍內(nèi)，比早先的離子電流的納米孔的方法信號(hào)更強(qiáng)?；?0%的準(zhǔn)確率的性能，而無(wú)需任何誤報(bào)(沒(méi)有假陽(yáng)性)，研究人員認(rèn)為，相同的DNA鏈的四次獨(dú)立的測(cè)量將產(chǎn)生99.99%的精度，可以達(dá)到測(cè)序人類基因組所需要的精確度。

　　理論分析表明，基本的電子過(guò)濾方法，可以分離出有用的電信號(hào)，而不需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，或其他嚴(yán)格限制的操作條件。除了連接堿基，納米孔，所有的傳感器組件已通過(guò)其他研究小組用實(shí)驗(yàn)證實(shí)可行。這項(xiàng)研究的作者得出結(jié)論，該測(cè)序的新概念充滿了希望，這可能是新一代顛覆時(shí)代的新概念。