大幅提高纳米孔DNA单分子探测技术时间分辨率的新办法

压强引入纳米孔中单分子探测示意图,不同压强下的穿孔时间分布图,对不同长度DNA分子的有效区分

基于纳米孔的DNA测序技术由于无需标定、无需扩增、使用剂量少、可读长序列、低成本、可实现单分子高通量探测等诸多优势成为第三代基因测序领域中研究最为活跃、最有希望、有潜力的竞争者之一。这项技术旨在24小时内用1000美元以下成本对人体基因进行快速测序,降低现有的人类基因测序成本,将引发生物医学、医疗等领域一场革命性变革。当溶液中的长链DNA分子在电场驱动下穿过一个尺度在纳米量级的小孔时,离子电流会由于DNA分子的阻塞作用形成瞬时下降,而对于电流下降的分析可以得知穿孔分子的尺寸,大小,构型等生物学特征。目前固态纳米孔测序领域面临的最大挑战是纳米孔器件承载膜太厚(空间分辨率过低)和DNA分子穿孔太快(时间分辨率过低)两大国际难题。目前国际上利用固态纳米孔的DNA单分子穿孔速度为每毫秒1000个碱基对,远远超过了仪器探测分辨率,所以无法完成对单碱基的识别,这也是困扰固态纳米孔器件无法完成测序的瓶颈之一。

北京大学物理学院的赵清副教授、俞大鹏教授及其研究团队在有效减慢DNA分子穿越纳米孔速度方面取得重要进展。他们创造性地将压强作为新的驱动力引入到纳米孔中,利用电场作为反向阻力和读取电流信号的载体,通过压强与电场的双场调制,大幅降低了驱动力,将DNA的受力由原来单独电场驱动的6-7 pN降至1 pN以下,有效减慢DNA穿孔速度1-3个数量级,并保持了很高的测量信噪比和捕捉率,逼近测序所需要求。他们系统研究了压强与穿孔时间分布之间的变化依赖关系,发现随着压强降低,DNA穿孔时间延长,同时穿孔时间分布展宽,这与DNA在不同压强下的受力情况密切相关。同时还研究了不同压强和纳米孔尺寸对区分不同长度DNA(600 bp和1.2 kbp)的影响,发现尺寸小的纳米孔需要更大的压强和拥有更好的区分分辨率。该团队还建立了完备的DNA分子在纳米孔中的受力模型,并且可以很好的解释现有的实验结果。压强引入到纳米孔中有效分离了驱动力来源和电信号读取来源,成功大幅提高了测量时间分辨率。引入压强后减缓的DNA穿孔速度和对不同长度DNA分子的有效区分大大扩展了固态纳米孔的单分子探测能力和基于纳米孔技术的其他相关应用。

相关工作得到了国家科技部973计划,国家自然科学基金,教育部新世纪优秀人才,北京市科技新星计划以及北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室的资助。