在個(gè)體化醫(yī)療前景的誘惑下，研究人員將研發(fā)出更有效的基因測(cè)序新方法視為首要任務(wù)。如今，賓夕法尼亞大學(xué)物理學(xué)家利用固態(tài)的納米孔區(qū)分單鏈DNA分子，這一有前景的技術(shù)，在DNA穿過納米孔時(shí)，通過檢測(cè)電流變化進(jìn)而讀取DNA序列。相關(guān)研究發(fā)表在《ACS Nano》期刊上。
這一稱為DNA轉(zhuǎn)運(yùn)測(cè)量的技術(shù)讓DNA鏈（溶解在鹽溶液中）在施加電場(chǎng)條件下被驅(qū)動(dòng)穿過開口膜，當(dāng)DNA鏈上的每一個(gè)堿基穿過孔時(shí)，同時(shí)它會(huì)阻止一些離子通過；納米孔芯片上的信號(hào)放大器能記錄電流由此而導(dǎo)致的下降。由于每個(gè)堿基在體積上各不相同，研究人員希望能利用電流數(shù)據(jù)推測(cè)出堿基序列，但是考慮到堿基體積差異小，納米孔和膜片兩者的面積需要接近DNA鏈本身，這是一個(gè)很大挑戰(zhàn)。
在測(cè)序領(lǐng)域最接近商業(yè)應(yīng)用的納米孔設(shè)備取材于蛋白質(zhì)孔和磷質(zhì)雙分子層，其中蛋白質(zhì)孔具有理想面積，而那些磷脂雙分子膜像肥皂膜一樣，在耐用性和穩(wěn)定性上有待改進(jìn)。
較易轉(zhuǎn)運(yùn)以及整合電子元件的固態(tài)納米孔設(shè)備(由固態(tài)薄片制成)優(yōu)越于相同功能的生物學(xué)納米孔，但是它在檢測(cè)不同堿基靈敏性上具有進(jìn)展相對(duì)較慢的基礎(chǔ)原理驗(yàn)證。
Drndi? 稱：“雖然生物學(xué)納米孔已證實(shí)能測(cè)序單核苷酸鏈，但是我們?nèi)灾铝τ诮鉀Q不利于固態(tài)納米孔設(shè)備發(fā)展的兩大挑戰(zhàn)：制造體積合適的納米孔以及實(shí)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)、低噪聲和片段長(zhǎng)短幅度大的測(cè)試。”
納米孔區(qū)分不同堿基的機(jī)制是堿基阻塞的孔徑大小，因此，孔徑越小，準(zhǔn)確性會(huì)越高。對(duì)于那些能有效測(cè)序堿基的納米孔，它的直徑必須接近DNA的，其厚度必須接近相鄰堿基的長(zhǎng)度，約為0.3納米。
為了獲得面積微小的固態(tài)納米孔和膜片，研究人員（包括Drndi?小組在內(nèi)）利用石墨烯等尖端材料。在六角形晶格的石墨烯膜片中，單層碳原子在寬度上能窄到0.5納米，不過其缺點(diǎn)還有待解決，例如，這種材料本身具有疏水性，讓DNA鏈很難通過。
Drndi?和同事在研究中利用不同材料（氮化硅）去研制納米孔，這一材料經(jīng)過處理后具有親水性，能夠讓DNA很容易進(jìn)行移位（過去的十年內(nèi)其他研究人員已證實(shí)）。此外，新研制的膜具有約5納米的厚度，不過在納米孔上特定方法可讓氮化硅像石墨烯一樣薄。
Drndi?和同事利用氮化硅納米孔重復(fù)測(cè)試同一堿基的單一DNA鏈，能明確檢測(cè)的是三個(gè)堿基（腺嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶），而另一堿基鳥嘌呤組成同聚序列后很難通過納米孔。
Drndi?稱：“我們發(fā)現(xiàn)：這些微孔敏感于堿基種類；直徑為1或2納米的孔都能產(chǎn)生同樣結(jié)果，這一結(jié)果表明不同的制作方法是允許的。”
以單分子實(shí)時(shí)測(cè)序?yàn)榇淼牡谌鷾y(cè)序技術(shù)
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其核心技術(shù)是使用半導(dǎo)體技術(shù)在化學(xué)和數(shù)字信息之間建立直接的聯(lián)系。在半導(dǎo)體芯片的微孔中固定DNA鏈，隨后依次摻入ACGT。隨著每個(gè)堿基的摻入，釋放出氫離子，在它們穿過每個(gè)孔底部時(shí)能被檢測(cè)到，通過對(duì)H+ 的檢測(cè)，實(shí)時(shí)判讀堿基。
Ion Torrent 半導(dǎo)體測(cè)序芯片的每個(gè)微孔里微球表面含有大約100 萬個(gè)DNA 分子拷貝。測(cè)序時(shí)一個(gè)個(gè)核苷酸分子連續(xù)流過芯片微孔。如果核苷酸與特定微孔中的DNA 分子互補(bǔ)，則該核苷酸被合成到DNA 分子中，并且釋放氫離子，該孔溶液的PH 發(fā)生變化。離子傳感器檢測(cè)到PH 變化后，即刻便從化學(xué)信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電子信息。如果DNA 鏈含有兩個(gè)相同的堿基，則記錄電壓信號(hào)是雙倍的。
如果堿基不匹配，則無氫離子釋放，也就沒有電壓信號(hào)的變化。這種方法屬于直接檢測(cè)DNA 的合成，因少了CCD 掃描，熒光激發(fā)等環(huán)節(jié)，幾秒鐘就可檢測(cè)合成插入的堿基，大大縮短了運(yùn)行時(shí)間。
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該測(cè)序儀的工作原理是，將基因組的DNA斷開成許多很小的片段，這些小DNA片段制成溶液后滴入測(cè)序儀內(nèi)的金屬薄片上，金屬薄片中分布著3000個(gè)納米級(jí)小孔，這些納米孔的直徑不到70納米，被滴入薄片上后，小DNA片段會(huì)分散到不同的納米孔中。每個(gè)納米孔中涂有一種特殊的酶——DNA聚合酶，DNA聚合酶的特性是，能夠沿著DNA片段的雙鏈結(jié)構(gòu)游動(dòng)，在游動(dòng)的過程中將DNA片段的雙鏈結(jié)構(gòu)打開，分成兩個(gè)片段，也可為某個(gè)DNA單鏈找到對(duì)應(yīng)的片段，重新組合在一起，科學(xué)家將DNA聚合酶的作用形象地比喻成衣服的拉鏈，可開可合。
測(cè)序儀就是利用DNA聚合酶來“竊取人類的自然本性”的。一旦DNA片段在納米孔中分散完畢，向聚合酶分子滴入經(jīng)過特殊處理的核苷酸溶液，謎底就會(huì)被揭開。核苷酸溶液中的每個(gè)核苷酸都用磷光染色劑做過標(biāo)記，金屬薄片的底部也有一個(gè)縮微版光譜儀，一旦DNA片段中有核苷酸與之配對(duì)，標(biāo)記物就會(huì)發(fā)出特定顏色的光，縮微版光譜儀就能檢測(cè)并記錄下這些閃光，測(cè)序儀從而記錄下每個(gè)DNA片段中的堿基對(duì)順序。當(dāng)閃光記錄完之后，結(jié)果會(huì)輸入計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)破譯出所有的DNA片段結(jié)果，并重新“組裝”，讓基因組恢復(fù)原樣。
