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便携式测序技能,敞开实时测序年代?

跟着对DNA结构和序列的研讨,DNA测序技能不断展开,成为生命科学研讨的中心范畴,对生物、化学、电学、医学等范畴的技能展开起到巨大的推进效果。而近年来鼓起的第四代测序技能——纳米孔测序技能,成为测序范…

跟着对 DNA 结构和序列的研讨,DNA 测序技能不断展开,成为生命科学研讨的中心范畴,对生物、化学、电学、医学等范畴的技能展开起到巨大的推进效果。而近年来鼓起的第四代测序技能——纳米孔测序技能,成为测序范畴的新式热门。

纳米孔测序技能具有快速、低成本、高通量等优势,而便携式纳米孔测序仪的呈现,更是让研讨人员能够在试验室外读取生物样本中的遗传物质,大大拓宽了其运用场景。

今日,咱们特别重视纳米孔测序技能的展开与运用。期望本文能够为相关的工业人士和诸位读者带来一些启示和协助。

① 纳米孔测序技能

因为纳米孔测序技能,科学家们现在能够搜集和测序来自于任何当地的样品。这项技能将“背包游览”的概念运用到了科学研讨中。

法国分子生物学家 Anne-Lise Ducluzeau 在对阿拉斯加冰冻环境的研讨中,第一次运用了这项技能。

她说道:“我记住带着座位上的测序仪开车回家时,其时温度是零下 20?F,可是汽车里很温暖,所以它还一向在测序。” 在曩昔的四年里,她一向在运用便携式纳米孔测序仪进行研讨。

Ducluzeau 说:“我感遭到的趣味和这项技能供给的新或许使我清楚地认识到这是我传达常识和热情的办法。”

在白令海的一艘科考船上,她第一次运用便携式测序设备进行作业时,Ducluzeau 意外地遭遭到了飓风的顺便影响。

她回想道:“当咱们开端在 Trami 飓风之下航行时,其时的主见是让 12 名大学生对 DNA 样本进行实时剖析来描绘海洋景象。暴风雨彻底打乱了水柱的天然分层,学生也留意到了这一点。这将应战进步到了另一个层次”。

图.便携式DNA测序仪

② 快速、廉价、便携式测序

移动的遗传学试验室正在改动实地调查研讨人员的作业流程。

Ducluzeau 指出,自从她在 2016 年发现它以来,便携式测序技能实实在在地改动了她的研讨。她运用的名为 MinION 的设备在两年前就现已呈现在市场上。从那时起,运用该技能的实地调查研讨数量逐年添加。

MinION 测序仪比智能手机小,能够在任何当地实时进行 DNA 测序。

这项技能包含一种能够让 DNA 链穿过的特别蛋白质,这种蛋白质被称为“纳米孔”。当纳米孔翻开时,其通道巨细仅能使 DNA 分子经过。当 DNA 链穿过纳米孔时,原本经过纳米孔的电流就会被损坏,而且组成 DNA 的四种碱基会对电流发生不同的影响,因而能够根据电流的改变对碱基进行辨认。

MinION 测序仪背面的牛津纳米孔技能公司在全球测序市场上与 Illumina 等巨子公司展开了剧烈的竞赛。这家总部坐落英国的公司经过供给价格低至 1,000 美元的便携式测序技能,以招引研讨人员。

有了这些新东西,任何人都能够满意他的好奇心,获得各种生物的基因组。而且,该技能能够使科学家们将他们的试验室直接搬到天然界。在生物多样性加快丢失的年代,这一点比以往任何时候都愈加重要。

世界上很少有栖息地比马达加斯加的森林更能表现大天然的生物多样性。不幸的是,马达加斯加正遭受快速的森林采伐之苦。北卡罗来纳州杜克狐猴中心的阿根廷科学家 Marina Blanco,自 2004 年以来一向在该国进行研讨,首要研讨东部雨林中的鼠狐猴和矮狐猴。

“咱们从 2018 年开端运用移动试验室作业,其时咱们在 Anjajavy 森林中设立了一个试验室。”Marina 说。她和她的搭档们成功地从这些狐猴中提取了 DNA 并进行了测序,这使他们得以承认森林中某些狐猴物种的存在。

“咱们在现场的研讨方案将全部办法——捕获、取样、剖析、测序——结合在一起。这意味着实地研讨和试验室研讨实际上能够由同一个人履行。这使咱们能够在几天之内答复一个问题,而不用等候数月或数年。”

现场测序还可在生死攸关的情况下节约名贵的时刻,例如确认引起疾病的微生物。由美国核算生物学家 Laura Boykin 领导的一组研讨人员在短短几个小时内,就能够确认哪些病毒感染了非洲农场的农作物,并向其主人发出了警报。

Boykin 说,“这项技能现已改动了咱们的全部。咱们原本方案建造固定的试验室,可是当咱们意识到全部这些贵重的设备都能够搬运到农人那里时,咱们改动了主见。”

她的研讨团队运用 MinION 测序仪来辨认损坏木薯作物的病毒。“这些农场被美丽的森林所盘绕,可是农场周围的植被或许是病原体的潜在来历。咱们正在运用便携式测序技能在它们形成严重产值丢失之前对病原体进行判定。”

确认这些病毒或许是粮食安全的重要一步,并能够添加全球农人的收入。Boykin 能够在当天将成果传达给农人,这意味着当地人能够当即采纳办法。在坦桑尼亚的一次干涉中,她的团队确认了感染木薯作物的特定病毒株。这使当地人能够栽培抗该病毒株的种类,将其产值从 0 吨/公顷升至 30 吨/公顷。

便携式 DNA 测序也能够在地球上不宜居住的当地作业,那里的生命需求寻觅新办法来习惯恶劣条件,例如养分、光照或氧气的缺少。虽然研讨这些嗜极生物对从抗衰老到作物健康的运用十分有利,但获取和剖析它们却或许是一个应战。

莱顿大学的教授 Menno Schilthuizen 在研讨仅生活在黑山发现的窟窿中的甲虫时面临着这一应战。

他说:“咱们的团队爬到高高的山上,抵达窟窿进口,然后带着便携式 DNA 测序设备爬过狭隘的通道。在十分恶劣的环境下,咱们却能够在几个小时内提取出甲虫Anthroherpon zariquieyi的 DNA 并进行测序。”

他还说道:“太冷了!咱们尝试着在这样的温度下运用移液管或不走漏的胶体。当然,没有什么是平整的。咱们很难找到一块适宜的岩石水平板,作为暂时的试验室作业台。”

关于 Schilthuizen 及其团队来说,便携式测序技能的首要优势在于,它使他们能够绕过生物样品跨境出口的杂乱规则。这样能够节约数月的等候时刻。

他说:“曩昔,咱们咱们想进行 DNA 作业,咱们需求请求出口许可证。现在,咱们能够直接在野外进行此操作,而且能够在出国之前将样品存放在当地的天然前史标本保藏库中。作业被大大简化了。”

更多冒险的科学家在地球上其他偏僻的当地运用这些设备,例如阿姆斯特丹大学的研讨员 Ineke Knot,在印度尼西亚作业,以维护大猿猴不受人类感染,又如英国生物工程师 Glen Gowers 及其团队在一次探险中,完结了对欧洲最大的冰盖——冰岛的瓦特纳冰原超越 24 小时的接连 DNA 测序。

图.Marina Blanco 和她的搭档 Lydia Greene 在马达加斯加作业

③ 仍有改善的空间

虽然便携式测序技能对全世界许多生物学家来说是一个巨大的前进,但它依然有局限性。在大天然的中心作业意味着当您需求将数 GB 的数据发送到云端时,无线衔接一般不行运用。设备也或许会过热,而且或许存在电量的约束,导致其无法在现场进行 DNA 测序。

因而,便携式测序技能仍有很大的改善空间。Boykin 着重:“从科学上讲,咱们需求简化流程的全部进程。没有移液器,没有 Unix 命令行,全部这些都需求简化。”

在设备的巩固性和简单性之间获得平衡将是充分运用现场测序潜力的要害。Blanco 弥补道:“试剂应耐受明显的温度改变,并坚持功用数天。而且,虽然在现场十分遍及,可是在极点环境条件下进行运送现在仍会使这一进程变得十分软弱。”

自便携式测序技能呈现以来,它的准确性就一向是一个令人重视的问题,虽然多年来这种技能的准确性一向在进步。

Duzucleau 以为:“这种准确度足以创立生物多样性数据库,而且咱们肯定需求供给数据库。让咱们去那些生物多样性丰厚但遭到要挟和无法进行 DNA 测序的国家,让便携式测序协助咱们完结这一方针。”

DNA 测序一般仅仅研讨项目的第一步。为了答复一个特定的问题,研讨人员还需求剖析东西。现在,为解说纳米孔测序数据而开发的大多数软件都需求研讨人员具有很高的编码技能,而这是大多数生物学家所缺少的。

Schilthuizen 说,直到今日,他们仍在运用定制脚本将纳米孔读码转换为质量牢靠合适进行物种判定的 DNA 条形码,因而,这一进程仍需求很多简化和标准化。

越来越多的算法和东西正在开发中,但仍有很长的路要走。Blanco 说:“在互联网不行用的情况下,生物信息学还应该能够在离线状态下发挥功用”。现在,软弱的互联网衔接或许是偏僻地区进行实时剖析的首要瓶颈之一。可是现在还没有能够脱机作业的软件。

图.在肯尼亚对木薯病毒举动项目样品进行便携式测序

④ 便携式测序的未来

跟着便携式测序技能在科学家中越来越受欢迎。近年来,许多公司如漫山遍野般出现,以进一步推进其运用。

在英国,草创公司 Bento Lab 出售选用纳米孔测序技能的便携式 DNA 试验室;在加拿大,Wild Tech DNA 公司正在运用该技能来阻挠不合法野生动植物的运送;在意大利,Wonder Gene 公司供给便携式测序设备满意不同的运用需求,包含食品质量操控和微塑料污染的检测。

在世界范围的大盛行中,纳米孔测序也被证明是测验 Covid-19 的有用东西,其成果可在一个多小时内完结。

一起,在国际空间站的微重力效果下,美国宇航局宇航员和生物学家 Kate Rubins 在 2016 年初次对太空中的 DNA 进行了测序。在太空中,便携式测序技能能够支撑生物技能运用,例如栽培食物,出产氧气和水以及坚持宇航员健康,它乃至能够成为未来太空飞行使命的快捷生命勘探东西。

跟着消费市场的不断扩大,牛津纳米孔技能公司一向致力于改善和开发新功用,例如开发一种能够集成到智能手机中的设备。

这些发展将使生物学研讨比以往更挨近大众。Blanco 评论道,“从高中到大学生,亦或是对科学和天然维护感爱好的志愿者都能够运用这一设备,而且这些设备能够协助低收入国家的新式科学家展开研讨方案和寻求他们自己的爱好”。

移动试验室能够使社区展开环保方案。其间一些行动能够使游客参加到研讨探险之中,使他们直接与方针天然栖息地互动。

Schilthuizen 说:“大多数参与者被这项技能的简单性及其使分类学变得如此大众化的现实所震动。” Schilthuizen 以为仅用几年时刻就能够向大众供给手持式 DNA 辨认东西。

可是,向整个社会供给技能依然需求进一步的技能前进。

Ducluzeau 解说道:“我能够幻想到大众运用用户友爱的便携式 DNA 测序仪来处理十分详细的问题,而且其间触及的生物信息作业流程将会被大大简化。可是这依然需求对运用者进行训练,究竟它还不是即插即用的东西。”

或许无所不在的基因组学的社会并不悠远,微型测序仪和微型试验室将呈现在任何当地,并在咱们期望的任何时候供给基因组数据。

Boykin 说:“我期望看到每个范畴都在运用这些设备,我也的确以为,在不久的将来大众会运用它们,但这也将会导致十分风趣的数据隐私问题。”

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