世界最小的可携式DNA测序仪
2016/5/21 0:04:15Oxford 世界医疗科技资讯

    

     纳米孔测序也被称为第三代测序,而Oxford Nanopore公司则是这一领域的先行者。去年11月,该公司启动了掌上测序仪MinION的早期试用计划。这个备受关注的测序仪只有USB大小,可以实现即插即用。

     East Anglia大学和Public Health England的研究团队十二月九日在《自然-生物技术》(Nature Biotechnology)杂志上发表了使用MinION获得的研究成果,他们用MinION鉴定了一种多重耐药菌的抗性基因。这项研究表明,这一技术能够很好的用于传染病诊断。

     “长读取”测序对于确定抗性基因的位置是非常重要的,纳米孔测序就是一种长读取的基因组测序技术。此前的长读取测序需要在昂贵的仪器上进行,而且操作起来比较复杂,往往只能在专业性的实验室里使用。而MinION非常小巧轻便,售价更低至650英镑左右。

     最近在全球范围扩散的伤寒沙门氏菌(Salmonella Typhi)单体型H58是一种具有多重耐药性的突变株。研究人员通过鉴定其耐药基因,证明了MinION在临床上的实用性。

     耐药性基因在染色体上的确切位点被称为抗生素抗性岛。研究显示,MinION只用18小时就能得出鉴定结果,而且精确性与现有技术差不多。

     领导这项研究的Dr Justin O'Grady说:“新兴的抗生素抗性正在快速扩散,而这类技术将为耐药性检测带来一场革新。”

     “在此之前,用传统方法做这种分析要花几个月的时间,因为测序后要进行大量的分析工作。人们最终拿到结果的时候,很可能已经无法为临床诊疗提供指引了。”

     研究人员指出,低成本速度快的纳米孔测序与短读取测序结合,能够为人们提供组装完全的细菌基因组,相信公共卫生机构和临床实验室很快就能从中获益。此外,纳米孔测序系统经过进一步改良之后,将不再需要短读取数据。

     这项研究首次为人们展示了,MinION解决重要生物学问题的巨大潜力,这一技术可以广泛用于临床上的细菌鉴定、传染病诊断和耐药性检测。

    

     世界最小的可携式测序装置

     比手掌还小、重量 100 克左右,貌似印章盒的长方体,就是 Oxford NANOPORE Technologies 公司推出的DNA测序装置── MinION 。除了体积小的优势, MinION在使用上也相当简单;只要将接线插入电脑 USB 孔,打开操作软件设置参数,再把样本滴于仪器的预设孔洞后,就可以开始分析。 MinION 具有可读取的 DNA 长度 (试验中已成功测序 20 万对碱基序列),测序过程中能同时看到已经读出的结果,不用等到程序完全结束。这样不仅能应付几乎所有非基因体测序用途的 DNA 解码工作,更有即时追踪和运用测序结果的能力,不会出现测序后才发现操作失误或样本处理失败而得不到结果的问题。

     关键技术 ── 纳米孔 (Nanopore)

     MinION的测序芯片是以一块不导电的带孔聚合物膜为基底,在各孔嵌入一个仅能让单股 DNA 通过的蛋白质纳米通道。当 DNA 经由解开双股螺旋的酵素拆成两条单股后,其中一条会被一点一点推过蛋白质通道。此时孔洞侧边的测序单元便判断经过的分子代表基因密码 A、T、C、G 中的哪一种,并读出判读结果到外接电脑记录序列密码。而其中一股读完后,互补的另一半也会接着送进去再读一次,最后互相对比以增加准确性。另外由于一片芯片上有数百处孔洞,能同时多头进行读取,因此 Oxford NANOPORE Technologies 公司宣称一次能够测序一亿五千万个碱基的密码长度。相对来看,人类基因体共有约三十亿个碱基,因此理论上用 20 台手持 MinION 装置即可完成测序,效率与当初耗费 11 年才完成的人类基因体测序计划不可同日而语。

    

     限制与待改进之处

     虽有上述众多优点, MinION 过高的错误率一直是其最大痛点。虽然内部测试人员宣称只有 5% 的错误率,但许多研究人员使用后却发现误差可高达 30% 。当中重复的相同碱基序列是测序的最大问题。而且即使可达 95% 的准确度,也不及临床和鉴定可接受的门槛;试想,人与人之间的基因序列只有 1% 的差异,法治机关可用准确度只有 95% 的机器确定 DNA 残迹来自某位特定人士,并进行定罪甚至判死吗?相较于 MinION,Illumina 公司旗下的测序机器已可达到 > 99.98% 的准确度,且单次耗材花费也低上许多;但是机器较笨重而昂贵。为了弥补上述缺点并追上对手,MinION的开发人员正积极进行改良,如改善读取装置的灵敏度,提升分析软件以拼出准确度更高的 DNA 序列等等。

     MinION终究会颠覆现有生物研究的框架

     或许有人质疑原有的 DNA 测序仪器已经发展成熟且费用相对低廉,那一个错误率可能高达三成的新产品有什么竞争力?参照Oxford NANOPORE Technologies公司的企业目标:让任何人在任何地方都可以对任何生物进行分析,这款可携式 DNA 测序装置即使在资源匮乏的地方也能及时完成重要工作。例如埃博拉病毒时期,就有科学家带着 MinION 进入疫区,当场取得检体并在短时间内鉴定出造成疫情爆发的病毒株。此外,美国国家航空航天局 (NASA) 也正在测试此装置能否在无重力环境下使用,并预计未来将投入火星探索计划,第一时间分析红色星球上任何有机物质。除此之外,经过改良而提升精度的 MinION,可作为中小学基础教育的一环。所以 MinION 带来的新概念是:生物和基因研究将不再是高知识、高资本的高门槛工作,而是有机会像科技资讯一样更为普及。届时,人人都有机会成为下一个基因界的达尔文!

    

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