测序研究新突破!充电石墨可让DNA“跳芭蕾”
2014-10-16 11:09:00   来源:中国科技网
内容摘要
快速、精确、可负担的DNA测序是朝个性化医疗迈出的第一步。美国伊利诺伊州大学的研究人员近期获得了DNA测序研究的新突破,在一片石墨薄膜层上让DNA分子经过一个小孔——纳米孔使得科学家们可以读取DNA序列。

当美国伊利诺伊州大学的研究人员准备研究一种控制DNA如何在小型测序设备里移动的工具时,他们并不知道他们将见证一场分子体操秀。快速、精确、可负担的DNA测序是朝个性化医疗迈出的第一步。在一片石墨薄膜层上让DNA分子经过一个小孔——纳米孔使得科学家们可以读取DNA序列;然而,他们对DNA移动经过这个纳米孔的速率的控制非常有限。在期刊《自然通信》上发表的一项最新研究里,伊利诺伊州大学的物理学教授阿列克谢•阿克斯门托夫(Aleksei Aksimentiev)和研究生马尼什•山卡拉(Manish Shankla)对石墨层加入电荷,希望DNA能够对电荷产生反应,使得他们可以减慢DNA链里每一个单个链接,也即核苷酸的移动。

“理想来说,你想要每一次只让一个核苷酸经过纳米孔,对它进行测量,然后再让下一个核苷酸经过。这是终极目标,但目前我们尚未实现它。我们的研究显示,从某种程度上说,我们可以通过对石墨充电来控制这个过程。”阿克斯门托夫说道。

 

研究人员发现石墨层的正电荷可以加速DNA经过纳米孔,而负电则会阻止这一过程。然而,正如科学家所观测到的,DNA似乎会在石墨层表面跳舞,旋转成他们从未见过的形状,特定于DNA核苷酸序列。

“这让我想起了天鹅湖,”阿克斯门托夫说道。“这就像耍杂技。我们对在石墨层表面观察到的DNA构造多样性感到惊讶不已。一层序列开始平铺到表面,当我们改变充电,它们会朝一边倾斜,仿佛在做单臂引体向上。然而,我们也发现有向后退的核苷酸,或者向上移动的,就像芭蕾舞娘优雅地以脚尖站立。”

阿克斯门托夫提出假设称构造各不相同且特定于DNA序列,因为每个核苷酸都有略微不同的电子分布。当核苷酸甲基化时,甚至可以看到明显的差别。

通过开关石墨层的充电过程,研究人员不仅可以控制DNA穿过纳米孔的运动,还能够控制DNA扭曲成的形状。“因为这是可逆的,我们可以使得它采取一种构造然后迫使它回到之前状态。这就是我们所谓的体操运动。”阿克斯门托夫说道。

研究人员利用了伊利诺大学国家超级计算机应用中心的蓝水超级电脑。他们绘制了复杂DNA分子的每个单个原子并对很多不同的DNA序列进行了无数次计算机仿真。超级电脑的能力对进行这种仿真至关重要。

“这真是个计算密集的项目,”阿克斯门托夫表示。“借助蓝水超级计算机至关重要,因为单看需要仿真的次数我们就无法完成它,它将花费大量的时间。”

接下来一步将是结合充电纳米孔设置和传感器以建立一个DNA测序设备,后者将融合运动控制和核苷酸识别。研究人员还希望探索意外的构造改变以获得有关实验胚胎学的新见解,这一领域主要是研究基因是如何表达和修改的。“DNA远比双螺旋复杂的多。这是一个拥有诸多特性的复杂分子,我们仍在努力揭开其中的秘密。”阿克斯门托夫解释道。

 

【欧盟廉价快速DNA基因组测序与解码技术获得突破】

欧盟第七研发框架计划(FP7)提供220万欧元资助,总研发投入290万欧元,由欧盟6个成员国及联系国塞尔维亚(总协调)、德国、英国、爱尔兰、瑞士和以色列跨学科科研人员组成的欧洲NANODNASEQUANCING研发团队。历时3年多的研发创新活动终于修成正果,即廉价快速的DNA基因组测序与解码技术获得重大突破。新技术每分钟可测序100万个碱基对,意味着人类个体约30亿DNA碱基对,完成DNA测序与解码仅需数小时。

NANODNASEQUANCING研发团队廉价快速的DNA基因组测序与解码技术,基于单个分子的电学特性,跳过了耗时费力又容易出错的DNA复制和化学反应步骤。研发团队在研究中发现,四大基本核苷酸碱基(Nucleotide bases):腺嘌呤(Adenine)、鸟嘌呤(Guanine)、胞核嘧啶(Cytosine)和胸腺嘧啶(Thymine),在2伏特电压下均显示出导电性。根据此原理,研发团队设计开发出全新的紧凑型便携式DNA检测装置,促使DNA核苷酸碱基通过具有纳米结构侧电极(Side-Electrodes)的微细纳米孔(Tiny Nanopores)。试片充电后核苷酸碱基将自然形成DNA链排序。关键技术突破在于解决了离子阻塞电流和横穿电流通过纳米孔的DNA测序两大技术难关,并申请了单分子电学特性与DNA测序亚纳米结栅器件(Sub-Nanometre Junction-Gate Device)发明专利。

研发团队总协调人、塞尔维亚贝尔格莱德(Belgrade)物理研究所的塞黑奇(ZIKIC)教授称,廉价快速的人类DNA基因组测序与解码技术突破,应该成为科学史上的革命性事件。其开发应用前景如何评价均不过分,将为人类开启动植物个性化研究的全新路径。例如,医生可根据病患自身独特的DNA结构,早期诊断和治疗相关疾病。

 

【石墨烯量子晶体管可用作DNA感测器】

在基因组测序技术领域,科学家在不断追求速度更快、成本更低的方法和设备。据物理学家组织网10月30日报道,最近,美国伊利诺斯大学厄本那—香槟分校最近开发出了一种新奇的方法:把石墨烯纳米带(GNR)夹在两层有纳米孔(内径约1纳米)的固体膜中间,再让DNA分子穿过这种“三明治”设备,以此来感知辨认所通过的DNA碱基对。

研究人员设计的DNA感测器是一种以石墨烯为基础的场效应类晶体管设备,能探测DNA链的旋转和位置结构。实现这一点的关键是利用了石墨烯的电学性质,制成的GNR可以多方调节,改变它的边缘形状、载流子浓度、纳米孔位置等,由此来调节它的电导率和对外部电荷的灵敏度。

“在这一专业领域,当前主要的实验研究是模型模拟。”这里面临着许多难题和挑战,让-皮埃尔•莱伯顿教授介绍说,常用的密度泛函理论(DFT,一种物理学和化学中所用的量子力学模型方法,用于研究多物体系统的电子结构),仅限于固体系统中,而我们所处理的是一种固—液混合系统。此外,DFT还要对石墨烯纳米带假设一些过于简单和理想化的条件,比如GNR宽度要一致,边缘要规则,纳米孔还要位于石墨烯带的中心,没有电解液的静电穿透等。

“在我们的方法中,我们使用一种多轨道紧绑(TB)技术,比DFT处理的原子数量要大得多,而且考虑了GNR宽度不一,边缘不规则,以及纳米孔大小和位置不同等问题。”莱伯顿解释说。此外,他们用一种多尺度法处理了双混系统。

研究人员指出,其他领域也可能从这项研究中受益。比如开发新的小型生物电子设备,广泛用于个体化医疗。莱伯顿说:“从更广泛的意义上说,这是生物学与纳米电子学在分子水平上的互动。纳米电子设备带给我们控制生物信息的可能,利用生物处理海量信息的能力,开辟信息处理技术的新天地。”

 

【科技人员研制出自充电石墨烯超级电容器储能系统】

中国科研人员不久前将纳米发电机和“超级导电材料”石墨烯结合,研发出了可自充电的石墨烯超级电容器储能系统。近日,这一研发成果获河北省发改委产业化项目支持。

随着微机电系统的快速发展、便携式电子设备和无线传感网、物联网的广泛应用,微型化成为电子器件的重要发展方向,这就要求提供动力的器件也必须兼具小的体积和高的效率。

纳米发电机能收集周围环境中微小的机械能并转变为电能,从而为传感器、探测器等纳米器件提供能量,而石墨烯是一种具有二维结构、单原子层厚度的特殊碳材料,强度高,导电性能优异,比表面积高,在超级电容器、锂离子二次电池、太阳能电池等领域有着广阔的发展前景。

由归国科研人员等组成的纳米新能源(唐山)公司研发团队,将可自身持续自供电的纳米发电机和可有效储存电能的石墨烯超级电容器结合在一起,研制出了自充电式的石墨烯超级电容器储能系统。这种储能装置体积小、效率高、功率密度大、使用寿命长。科研人员同时自主开发了自充电石墨烯超级电容器智能控制系统。

“这套系统具有自充电、薄膜化、电容容量高、成本低、制作简单等特点,能满足一些微纳器件的使用要求,对微纳器件产业发展具有重要支撑意义。”企业负责人徐传毅博士说。

据悉,基于纳米发电的自充电石墨烯超级电容器储能系统项目已申请国家专利17项,其中授权3项。

专家指出,基于纳米发电的石墨烯自充电超级电容器储能系统有望应用于物联网、医疗器械等领域。

据悉,在政府部门支持下,科研人员下一步将在纳米发电机材料微加工、自充电石墨烯超级电容器制备等方面进一步开展研究,加快产业化步伐。