新技术:测序如何加快100倍的

【字体: 时间:2005年08月04日 来源:生物通

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生物通报道:蚂蚁虽小,可是它们团结起来可以消灭大象。细菌更小,但是它也可以将相对庞大的人体逐步腐蚀掉。其中的秘诀就在于它们庞大的数量。最近Nature的网络版刊登了一篇利用皮升(picolitre)级反应器进行测序方法的文章,它将测序的速度又往前推进了100倍。这无疑是分子生物学上的又一次飞跃,这意味着大概只需100天我们就可以测出人类基因组了。之前生物通已经对此事件做了新闻报道,快速基因组测序时代到来。现在让我们来对这种方法进行进一步的了解。
最新发明的方法是一种结合了一种乳胶材料和皮升级反应孔的焦磷酸盐测序法。它一个典型的反应可以在4小时内测出2千5百万个碱基,其准确率可达到99%。利用Sanger毛细管电泳法测序平均每个小时可读6万7千个碱基,平均准确率为99.4%。事实上,这种新的测序方法单个反应的读取碱基数和准确率都不及毛细管电泳法,它之所以能最后平均起来比经典方法强在于普通测序一次只能利用96孔板进行反应,而这种新型测序所采用的介质玻片上面有一百六十万个孔,平均下来自然比传统方法强。
这种新型的测序方法的第一步就是将基因组DNA进行随机切割,而不需要在细菌进行亚克隆或者处理单个克隆,整个测序反应都是批量进行的。切割后的DNA会加上特定的共同接头(adapter),然后DNA吸附到各自的珠子上,倒入乳胶状物质,之后每滴乳胶颗粒上发生测序的PCR反应(如下图所示)。

图片来源:Nature网络版杂志

因此我们可以把测序反应分为四个部分:
1 随机切割基因组,将双链解旋,给单链的DNA加上接头。
2 每颗珠子带有自己特有的单一的DNA片段,然后在倒入的含有PCR必需试剂的乳胶颗粒中发生PCR反应,PCR在不同的地方终结使珠子带有同一DNA模板的不同拷贝的DNA。
3 洗去乳胶物质,使DNA变性,将带有单链DNA的珠子加入到光学纤维玻片(fibre-optic slide)上。
4 加入更小的带有焦磷酸盐测序所需酶的颗粒。
这里的蚂蚁就是这种光学纤维玻片了,它每个孔的直径大约44μm,边缘厚仅2-3μm,深55μm,每个孔的反应容量为75皮升,在1平方毫米的地方大概有480个这样的孔,你可以想象这些孔有多小。

图片来源:Nature网络版杂志


整个测序的工作流程如上图所示,a是光学纤维玻片装载的地方,从ATGC瓶子来的溶液垂直流过开放的板面,在那里进行PCR反应,b是电荷偶联装置(charge-coupled device, CCD,扫描仪一般也采用这种原理成像)它负责捕获每个孔发出的光子,而c就是负责与人进行交互作用的电脑装置。
蚂蚁虽小,可是当为数众多的时候就可以把大象干掉,454生命科学公司的研究人员就是利用这个原理:我们不求每个反应的质量增加,但是我们反应的次数可以一次性增加,其结果仍是使测序速度大大加快了。所以现在他们可以很牛的向Watson要血液样本,给DNA的老爸做一份基因组图谱,100天后Waston也可以看看自己的生命天书了。
测序速度越来越快,随之而来的问题有好有坏,这让我想起了多年前的一部科幻电影,讲的就是未来基因优化人风行的社会。电影拍得既发人深省,又有娱乐性,请看千钧一发(生物通记者 谢菲)。


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