一顆“納米球”打破基因測序關(guān)鍵技術(shù)壟斷
本報記者 張佳星
把“命門”掌握在自己手中
一個不超過信用卡大小的硅基芯片上，密密麻麻陣列分布著幾千萬個“小室”。小室中正釋放噼啪的熒光。每一粒“珍珠”的串入，就會激發(fā)出相應(yīng)熒光，熒光顏色提示了“珍珠”的排列，其對應(yīng)的DNA密碼就此解讀出來。
“珍珠”是DNA的基本單元——核苷酸，上有4種堿基，人們?yōu)閴A基加上對應(yīng)的4種顏色，傳遞出密碼信息。為了解讀人類基因組中的核苷酸密碼，十幾個國家集中力量對其進行破譯，即“人類基因組計劃”，高通量測序技術(shù)的出現(xiàn)終結(jié)了漫長、浩大的測序工程時代。
截至目前，高通量測序有不同的技術(shù)路線。美國Illumina公司在市場和技術(shù)上均占有壟斷地位。我國華大智造在后發(fā)劣勢的情況下，通過技術(shù)引進和創(chuàng)新，采取不同的技術(shù)路線，換道邁進更快、更準的測序“金標準”。
熒光在百層“轉(zhuǎn)梯”上“炫舞”
1個DNA分子激發(fā)出的熒光很微弱，易受背景干擾，難以準確檢測。就像一個人的聲音很難被聽清楚，幾百、幾千人同時吶喊才能更準確地傳遞信息。
為了“聽”懂DNA，必須放大信號。方法是復(fù)制出幾百個同樣的序列，同步反應(yīng)，同步釋放熒光，如同千百人一同吶喊。
傳統(tǒng)的方法是用PCR（聚合酶鏈式反應(yīng)）復(fù)制出這“千百人”。華大智造測序儀產(chǎn)品經(jīng)理汪婧婧博士解釋，PCR會把DNA雙鏈像筷子一樣分開，每根筷子再去復(fù)制，1變2、2變4，n輪之后，達到放大2的n次方的目標。
理論很完美，現(xiàn)實很骨感。PCR技術(shù)本身的不完美，使得復(fù)制的DNA會出錯，“和聲”中一旦出現(xiàn)“濫竽充數(shù)者”，將難以檢測準確。
PCR的不完美在于兩個方面。一個是錯誤累積。PCR的復(fù)制是傳遞復(fù)制，就像綜藝節(jié)目里的“傳遞模仿”，只要其中一環(huán)出錯，會學(xué)得越來越走樣，傳遞下去的錯誤序列也會“累積”。
另一個方面是，PCR中必用的聚合酶會出錯。就像人累了會疏忽大意一樣，聚合酶如果不停裝配，“疲了”也會不時出錯。
有什么辦法能夠擺脫PCR的這些短板？“如果只復(fù)制原版，那么錯誤累積的問題就會解決?！蓖翩烘赫f。
華大智造采用了滾環(huán)擴增技術(shù)。“單鏈成環(huán)是第一步。在連接酶的作用下，會讓DNA片段呈環(huán)形。”汪婧婧說，其中的連接酶、試劑和反應(yīng)條件都是多次試驗的最優(yōu)結(jié)果。
萬里挑一，合成新酶促成精妙滾環(huán)
“滾環(huán)復(fù)制是指復(fù)制出千百條DNA，均以這個環(huán)形DNA為模板?！蓖翩烘航忉專繚L出一圈，下一圈會“踢走”上一圈。如此往復(fù)，就像用轉(zhuǎn)筆刀削鉛筆的動作，復(fù)制好的DNA會螺旋下來，最終得到經(jīng)過復(fù)制“擴大”的DNA鏈。
“基于物理原理，它在測序的小室里會自然地團成球狀。”汪婧婧說，“我們稱之為納米球。”但如果“拎”起來，就會像一條百余層的旋轉(zhuǎn)樓梯，每層旋轉(zhuǎn)的DNA序列相同，完成了信號放大。
“之所以能夠完成這樣精妙的合成動作，是因為選擇了恰當?shù)拿?。”汪婧婧說，研究團隊通過酶工程的手段按需制造出了保真性極高的聚合酶。
