Nature方法学：更快更便宜测序

　　

生物通报道：纳米技术无处不在，来自美国哥伦比亚大学，宾州大学等处的研究人员发表了题为“Integrated nanopore sensing platform with sub-microsecond temporal resolution”的文章，利用一种新技术，研发更小，更快，更便宜的医学诊断方法，相关成果公布在Nature Methods杂志上。

领导这一研究的是哥伦比亚大学电气工程教授Kenneth L Shepard，他与来自宾州大学的研究人员一道，通过纳米孔——一种薄膜上的小孔，可以用于检测单个生物分子，比如DNA和蛋白，研发出一种比目前市面上仪器精确度更高的分析方法。并且研究人员利用商业化半导体技术，设计了一种定制集成电路，构建新型放大芯片纳米检测设备，可以缩小仪器的体积，用于医学应用。

近些年来，基因测序领域发生了翻天覆地式的变化，这让技术与产业发展的相关预测都显得过于保守。下一代测序技术将超越现有方法，比如纳米孔测序。其实在过去十年里，研究人员一直在致力于研究纳米孔测序，这种技术可以直接读取长的不用处理的DAN链，原理就是当DNA分子穿过一个设有探测器的纳米级小孔时，识别出序列中的每个碱基。  

这种技术成本低，而且更快，但是目前存在的问题就是来自纳米孔的信号很弱，因此尽可能的精确检测这些信号就十分重要了。

文章的第一作者，哥伦比亚大学Jacob K Rosenstein博士表示，“我们将一种小型放大芯片直接放入纳米孔旁边的液室中，这样获得的信号很清晰，能观察到每个每隔一微秒经过纳米孔的单分子”，“之前科学家们只能观测到十多微秒时间间隔的纳米孔分子。”

目前许多单分子检测都是通过光学技术完成的，这些技术利用荧光分子在特殊波长中发射光子，但是当荧光非常强的时候，就会出现一个主要问题，那就是每个分子通常每秒只会生成几千个光子，“这也就是说，无法观测到比毫秒速度更快的事件，因为更快速度成像的图片会太暗了”，Shepard教授解释道，“相反，如果你可以采用电子或者离子检测方法，那么就能在一秒钟内获得上十亿个信号。但电子检测方法的问题就在于没有能与荧光波长过滤器匹配的设备，因此即使信号产生了，也常常被掩盖在背景噪音中。”

Shepard教授研究组多年来一直对单分子检测十分感兴趣，他们希望能找到一种新型转导平台。首先他们与宾州大学一位物理学教授：Marija Drndic进行纳米孔传感器的研究，“我们发现周围的大部分人都是利用经典的电生理放大器来检测纳米孔”，Shepard说，“但我们设计了自己的集成电路。”

Rosenstein博士设计了一种新型的电子设备，进行了大量的实验室研究，而Drndic研究组则制造了用于新系统的检测纳米孔。“大部分研究组都尝试减缓DNA的速度，而我们的方法却是构建更快的检测设备”，Drndic说，“我们将最灵敏的电子设备，与最灵敏的固态纳米孔结合起来了。”

“我们制作出了单分子纯电子检测设备，令人激动”，Rosenstein博士说，“这一纳米孔检测设备十分简单，而且易于携带，它不需要完整的显微设备，也不需要高功率仪器，唯一需要注意的就是实验细节。不难想象在未来几年里，纳米孔成像技术将对DNA测序，以及其它医学应用产生巨大的影响。”

Shepard研究组还将继续提升这一技术的性能，“我们也许还能提高10倍功能，检测100纳秒速度的分子。我们实验室也将尝试基于碳纳米晶体管技术的其它电子单分子技术——这一技术采用的是相似的电路。这是一个激动人心的时刻！”（生物通：张迪）

最新市场化测序仪器技术资料：

Life TechIon PGM测序仪的更多资料！

IlluminaMiSeq个人型测序系统的更多资料！

免费索取：罗氏GS Junior测序系统的更多资料>>

如何捕获外显子？最新NimbleGen外显子组测序平台，免费获取技术资料>> >>

原文摘要：

Integrated nanopore sensing platform with sub-microsecond temporal resolution

cids and proteins without the need for chemical labels or complex optics. A prevailing problem in nanopore applications is that the transport kinetics of single biomolecules are often faster than the measurement time resolution. Methods to slow down biomolecular transport can be troublesome and are at odds with the natural goal of high-throughput sensing. Here we introduce a low-noise measurement platform that integrates a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) preamplifier with solid-state nanopores in thin silicon nitride membranes. With this platform we achieved a signal-to-noise ratio exceeding five at a bandwidth of 1 MHz, which to our knowledge is the highest bandwidth nanopore recording to date. We demonstrate transient signals as brief as 1 μs from short DNA molecules as well as current signatures during molecular passage events that shed light on submolecular DNA configurations in small nanopores.