Nature Methods:放在背包里的测序仪

【字体: 时间:2015年11月04日 来源:生物通

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  人们盼星星、盼月亮,总算等到了纳米孔测序仪开放试用。如今,1000多个实验室测试了MinION测序仪,并发表了结果。他们在这一期的《Nature Methods》上介绍了他们的使用体会。而更多的产品也在开发之中。

  

人们盼星星、盼月亮,总算等到了纳米孔测序仪开放试用。如今,1000多个实验室测试了MinION测序仪,并发表了结果。他们在这一期的《Nature Methods》上介绍了他们的使用体会。而更多的产品也在开发之中。

纳米孔(nanopore)技术让核酸分子穿过直径只有几纳米的孔而确定其序列。这个孔可能是蛋白质,如嵌在聚合物膜中的α-溶血素,也可能是固体材料中形成的孔,如氮化硅。在膜上施加电压,形成离子电流和电泳力,拉动DNA穿过这个孔。这时,它会带来序列特异的电流波动。这种方法也能用来分析RNA和蛋白质。

纳米孔测序仪可处理长度在10,000,-50,000 bp的DNA片段,未来甚至达到100,000 bp。这些长读取让研究人员能更快地组装成完整或近乎完整的序列。不过,纳米孔测序仪目前仍存在大量的挑战,包括需要更高的准确性,需要更高的通量,也需要更多的数据分析软件。

考虑到它的体积小巧,这种测序仪很适合检测环境中的病原体,比如快速监控流感、疟疾、肺结核和埃博拉疫情。伯明翰大学的Nicholas Loman称:“这就是我们兴奋的原因。”他和他的同事利用MinION测序仪,在几小时内鉴定了医院中的沙门氏菌。之后他们在Illumina的MiSeq仪器上验证了结果。

据Loman介绍,MinION上的埃博拉病毒测序大约需要半个小时。“制备文库的时间比测序还要长,”他说。联合弗吉尼亚大学的Aaron Quinlan,他们开发出软件,将MinION的数据转换成FASTA或FASTQ文件,以便用传统的数据分析软件进一步分析。快速的序列分析有助于确定埃博拉病例的相关性。

MinION测序仪可插入计算机的USB 3.0接口。这个设备有一个流动槽,内含512个纳米孔。每个孔每次产生一条序列。当样品上样时,它流过芯片,DNA进入各个孔,而内置的电子设备测定电流变化,控制软件处理这些测量结果。

Oxford Nanopore还在测试它的另一款测序PromethION。这款台式仪器可容纳48个流动槽,每个含3,000个纳米孔,因此纳米孔总数达到144,000个。每个流动槽可以单独运行。这种高通量的设备每天可产生大量的碱基。与现有的高通量测序仪相比,它的优势就在于长读取拼接所节省的时间和成本。

纳米孔测序仪的原始数据是一些数值,反映了分子穿过纳米孔时对电流的破坏。仪器的内置软件确定哪些信号是噪音,而哪些信号是可以解释成碱基序列的事件。这种测序仪还能帮助研究人员研究表观遗传学。目前的技术不能直接测定表观遗传变化,如甲基胞嘧啶和5-羟甲基胞嘧啶。对于MinION,这些变化有不同的信号。

当然,纳米孔测序仪还需要更高的准确性。贝勒医学院的Stephen Richards对MinION的序列数据还不是很满意。他的研究重点是昆虫基因组学。利用MinION,他测序了三种细菌。之前,他用PacBio,因为其读长在15 kb左右,甚至超过20 kb。据Richards介绍,MinION能带来100 kb的序列,这样不需要参考基因组也能完成组装。

文章在最后指出,纳米孔技术欢迎白日梦。也许有一天,鸡舍里也可以安装测序仪,以监控动物的健康。纳米孔测序仪能检测医院中的抗生素耐药性,也能检测污水管道中的病原体。MinION的便携性带来了新颖的应用,将测序带到医院、工厂及农业区。加州大学圣克鲁兹分校的Benedict Paten表示:“过去我认为这是科幻小说,但现在不是了。”(生物通 薄荷)

原文检索

Nanopores: a sequencer in your backpack

Nature Methods 12, 1015–1018 (2015) doi:10.1038/nmeth.3625

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