东南大学研制新技术：1000美元一天搞定基因测序

记者日前从第十一届设计与制造前沿国际会议上了解到，东南大学在第三代人类基因测序关键技术研制上取得重大进展，研究人员造出了只有头发丝1/30000左右粗细的小孔，让DNA中的碱基挨个通过小孔，通过给碱基“量个头”的方法来测定序列。这种新方法将原本要6个月的测序时间缩短到了24小时，费用也从500万美元降到了1000美元以下。利用这种技术，将来人们测基因序列，可能就像做血常规检查那么简单。

　　碱基

　　在形成稳定螺旋结构的碱基对中共有4种不同碱基。根据它们英文名称的首字母分别称之为A(腺嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、C(胞嘧啶)、G(鸟嘌呤)。每种碱基分别与另一种碱基的化学性质完全互补，通俗来说，就是A总与T配对，G总与C配对。这四种化学“字母”沿DNA骨架排列。“字母”(碱基)的一种独特顺序就构成一个“词”(基因)。

　　在DNA双螺旋结构中，碱基对就像“拉链齿”

　　人类基因组共有23对染色体，其中22对为常染色体，还有一对性染色体X染色体或Y染色体，含有约30亿个碱基，组成大约20000到25000个基因。如果将DNA稳定的双螺旋结构看成拉链的话，四种碱基两两配对，每一对碱基就是拉链骨架上互相咬合的齿。它们的独特顺序就构成一个基因。

　　让碱基挨个通过“小孔”验明正身

　　东南大学机械工程学院陈云飞副院长介绍，基因实际上是DNA的一个片段，而基因的遗传信息其实就存贮在碱基的序列中。30亿个碱基排列略有变化，就有了人高矮胖瘦等分别。要完成全序列的基因测定，是个浩大的工程。第一代测序法用的是化学方法，要把长的基因打成很多段，然后进行荧光测定，第二代集成度高了，所以时间缩短很多，第三代测序的目标是更短的时间、更廉价的费用。为此，依托东南大学的江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室从2006年就开始了相关的研究。

　　“每个碱基的长度约为0.34纳米，30亿个碱基长度也就是1.03米。”陈云飞副院长介绍，他们的物理测序方法，就是让这个总长度只有1米多实际上却浩浩荡荡的碱基队伍挨个通过一个纳米孔，然后给每个碱基“量个头”。这个原理是什么呢？“4种碱基有的大小是不一样的。我们造出一个孔，让碱基挨个走过去，碱基个头不一样，引发的电流大小也就不一样。”通过纳米孔传感器绘制电流变化，就能自动分辨出碱基的排列顺序了。

　　“碱基”被电极吸引，就像线穿过针眼

　　陈云飞副院长口中的这个孔，相当有技术含量。他们这个孔做到直径2纳米，在全世界都是领先水平。2纳米是个什么概念，陈云飞举了个例子，我们的一根头发丝是7万纳米，1纳米相当于头发丝直径的1/70000。东大研究人员选用的两种材料是石墨烯与氮化硼，这两种材料本身都是单层片状结构，只有零点几纳米厚，强度却是钢的1000倍。

　　有了小孔，碱基却不会主动“钻”小孔，那就得给碱基加点“动力”。“我们将溶液用特殊的薄膜隔开，薄膜上集成的是纳米孔的阵列，在溶液的一边加正电极，一边加负电极，因为DNA本身带有负电，电极一起作用，DNA就会主动往正极方向跑。”陈云飞说，只要DNA的“头”通过小孔了，原本“蜷缩”成一团的DNA就被“拉直”，DNA上的碱基也就能挨个“量个头”了，就像线被穿过针眼一样。东大从想法形成到做出这个原理样机，大约用了14年。

　　基因测序有多难？

　　要测30亿个碱基，第一代测定法花了12年

　　2003年人类基因组计划完成人体全序列的基因测定，历时长达12年，耗资达30亿美元。近两年第二代测序仪让人类基因组测序的时间缩短到了2-4周，价格也降到了500万美金，但这样的价格和时间，极大地限制了其临床应用和基础理论研究。于是，在2004年美国国家人类基因组研究所启动了“千元基因组测序研究项目”，目的是让人类基因组的测序的费用降到1000美元以下。

　　新测序法带来啥改变？

　　基因检查更快更便宜，可以“私人定制”药品

　　如今新技术能在24小时内完成对个体的基因测序，有了基因图谱，未来用药治病将可能迎来本质的改变。“比如说，我们确定某种基因和某种疾病的关系，而患者本身就有这种基因，我们就能根据患者的基因图谱来制作针对这个患者的药品，个性化药物时代将到来。”除了药品的“私人定制”外，疾病的预防也成了可能。“我们知道患者本身有某种疾病的基因缺陷的话，修复基因也有了可能。”