在dna双螺旋结构中

2018-12-04 01:06

东南大学新技术让检测费用从500万美元降至1000美元,未来可以“私人定制”基因特效药

“每个碱基的长度约为0.34纳米,30亿个碱基长度也就是1.03米。”陈云飞副院长介绍,他们的物理测序方法,就是让这个总长度只有1米多实际上却浩浩荡荡的碱基队伍挨个通过一个纳米孔,然后给每个碱基“量个头”。这个原理是什么呢?“4种碱基有的大小是不一样的。我们造出一个孔,让碱基挨个走过去,碱基个头不一样,引发的电流大小也就不一样。”通过纳米孔传感器绘制电流变化,就能自动分辨出碱基的排列顺序了。

纳米级“针眼”一天就能搞定基因测序

2003年人类基因组计划完成人体全序列的基因测定,历时长达12年,耗资达30亿美元。近两年第二代测序仪让人类基因组测序的时间缩短到了2-4周,价格也降到了500万美金,但这样的价格和时间,极大地限制了其临床应用和基础理论研究。于是,在2004年美国国家人类基因组研究所启动了“千元基因组测序研究项目”,目的是让人类基因组的测序的费用降到1000美元以下。

如今新技术能在24小时内完成对个体的基因测序,有了基因图谱,未来用药治病将可能迎来本质的改变。“比如说,我们确定某种基因和某种疾病的关系,而患者本身就有这种基因,我们就能根据患者的基因图谱来制作针对这个患者的药品,个性化药物时代将到来。”除了药品的“私人定制”外,疾病的预防也成了可能。“我们知道患者本身有某种疾病的基因缺陷的话,修复基因也有了可能。”

“碱基”被电极吸引,就像线穿过针眼

基因检查更快更便宜,可以“私人定制”药品

有了小孔,碱基却不会主动“钻”小孔,那就得给碱基加点“动力”。“我们将溶液用特殊的薄膜隔开,薄膜上集成的是纳米孔的阵列,在溶液的一边加正电极,一边加负电极,因为dna本身带有负电,电极一起作用,dna就会主动往正极方向跑。”陈云飞说,只要dna的“头”通过小孔了,原本“蜷缩”成一团的dna就被“拉直”,dna上的碱基也就能挨个“量个头”了,就像线被穿过针眼一样。东大从想法形成到做出这个原理样机,大约用了14年。

新测序法带来啥改变?

在形成稳定螺旋结构的碱基对中共有4种不同碱基。根据它们英文名称的首字母分别称之为a(腺嘌呤)、t(胸腺嘧啶)、c(胞嘧啶)、g(鸟嘌呤)。每种碱基分别与另一种碱基的化学性质完全互补,通俗来说,就是a总与t配对,g总与c配对。这四种化学“字母”沿dna骨架排列。“字母”(碱基)的一种独特顺序就构成一个“词”(基因)。

东南大学机械工程学院陈云飞副院长介绍,基因实际上是dna的一个片段,而基因的遗传信息其实就存贮在碱基的序列中。30亿个碱基排列略有变化,就有了人高矮胖瘦等分别。要完成全序列的基因测定,是个浩大的工程。第一代测序法用的是化学方法,要把长的基因打成很多段,然后进行荧光测定,第二代集成度高了,所以时间缩短很多,第三代测序的目标是更短的时间、更廉价的费用。为此,依托东南大学的江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室从2006年就开始了相关的研究。

构成基因的“字母”,总是两两配对

人类基因组共有23对染色体,其中22对为常染色体,还有一对性染色体x染色体或y染色体,含有约30亿个碱基,组成大约20000到25000个基因。如果将dna稳定的双螺旋结构看成拉链的话,四种碱基两两配对,每一对碱基就是拉链骨架上互相咬合的齿。它们的独特顺序就构成一个基因。

碱基

陈云飞副院长口中的这个孔,相当有技术含量。他们这个孔做到直径2纳米,在全世界都是领先水平。2纳米是个什么概念,陈云飞举了个例子,我们的一根头发丝是7万纳米,1纳米相当于头发丝直径的1/70000。东大研究人员选用的两种材料是石墨烯与氮化硼,这两种材料本身都是单层片状结构,只有零点几纳米厚,强度却是钢的1000倍。

要测30亿个碱基,第一代测定法花了12年

在dna双螺旋结构中,碱基对就像“拉链齿”

让碱基挨个通过“小孔”验明正身

基因测序有多难?

记者昨天从第十一届设计与制造前沿国际会议上了解到,东南大学在第三代人类基因测序关键技术研制上取得重大进展,研究人员造出了只有头发丝1/30000左右粗细的小孔,让dna中的碱基挨个通过小孔,通过给碱基“量个头”的方法来测定序列。这种新方法将原本要6个月的测序时间缩短到了24小时,费用也从500万美元降到了1000美元以下。利用这种技术,将来人们测基因序列,可能就像做血常规检查那么简单。 通讯员 许启彬 扬子晚报记者 杨彦