在一項(xiàng)新的研究中，來自美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)的Jason Reed博士和同事們開發(fā)出一種新的納米繪圖(nanomapping)技術(shù),，這可能引發(fā)致病性基因突變?cè)\斷和發(fā)現(xiàn)方法變革,。這種新技術(shù)將高速原子力顯微鏡(AFM)與一種基于CRISPR的化學(xué)條形碼技術(shù)結(jié)合起來，幾乎與DNA測序那樣準(zhǔn)確地繪制DNA圖譜,，同時(shí)更快地處理大片段的基因組。更重要的是,，這種技術(shù)能夠由在普通的DNA播放器中發(fā)現(xiàn)的部件供電,。相關(guān)研究結(jié)果于2017年11月21日在線發(fā)表在Nature Communications期刊上,，論文標(biāo)題為“DNA nanomapping using CRISPR-Cas9 as a programmable nanoparticle”。

　　人類基因組由數(shù)十億個(gè)DNA堿基對(duì)組成,。一旦松散開來,，它長將近6英尺。當(dāng)細(xì)胞發(fā)生分裂時(shí),，它們必須為新的細(xì)胞拷貝它們的DNA,。然而，有時(shí)這種DNA的多種片段被錯(cuò)誤地拷貝或者在錯(cuò)誤的位點(diǎn)連接在一起,，從而產(chǎn)生導(dǎo)致癌癥等疾病的基因突變,。DNA測序是如精確以至于它能夠分析DNA的單個(gè)堿基對(duì)。但是為了分析大片段的基因組來發(fā)現(xiàn)基因突變,，技術(shù)人員必須確定數(shù)百萬個(gè)微小的序列,，然后利用計(jì)算機(jī)軟件將它們拼接在一起。相反之下,，諸如熒光原位雜交(FISH)之類的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)僅能夠在幾萬個(gè)堿基對(duì)的分辨率下分析DNA,。

　　Reed的這種新的高速AFM方法能夠在數(shù)十個(gè)堿基對(duì)的分辨率下繪制DNA圖譜，同時(shí)創(chuàng)建分辨率高達(dá)一百萬個(gè)堿基對(duì)的圖片,。而且它使用的樣品數(shù)量僅是DNA測序所需的一小部分,。

　　Reed說，“DNA測序是一種強(qiáng)大的工具,，但是它仍然具有高昂的成本,，并有一些技術(shù)和功能上的局限性，從而使得難以高效地和準(zhǔn)確地繪制出大片段的基因組,。我們的方法填補(bǔ)了DNA測序和其他的分辨率較低的物理圖譜技術(shù)之間的差距,。它能夠作為一種獨(dú)立的方法加以使用，也能夠作為DNA測序的補(bǔ)充,，降低在DNA測序過程中將小片段的基因組拼接在一起時(shí)的復(fù)雜性和錯(cuò)誤,。”

　　AFM通過它的微針(microscopic stylus)與被研究的材料的表面相接觸來繪制出這種材料表面的圖片,。然而,，傳統(tǒng)的AFM對(duì)醫(yī)學(xué)應(yīng)用來說太慢了，因此,，它主要由材料科學(xué)的工程師使用,。

　　Reed說，“我們的設(shè)備與AFM的工作方式相同,，但是讓樣品以更大的速度經(jīng)過這種微針,，并且利用光學(xué)儀器檢測這種微針與材料表面上的分子之間的相互作用。我們能夠達(dá)到與傳統(tǒng)的AFM一樣的觀察細(xì)節(jié)，但是能夠比后者快一千倍地處理材料,。高速AFM非常適合于一些醫(yī)學(xué)應(yīng)用,，這是因?yàn)樗軌蚩焖俚靥幚聿牧希⑶姨峁┍韧惖某上穹椒ǜ呱习俦兜姆直媛??！?/p>

　　提高AFM的速度僅是Reed和他的同事們必須克服的一個(gè)障礙。為了真正地鑒定出DNA中的基因突變,，他們必須開發(fā)出一種將標(biāo)志物或標(biāo)簽放置在DNA分子表面上的方法,，這樣他們就能夠識(shí)別出這些分子中的模式和不規(guī)則性。他們還利用CRISPR技術(shù)開發(fā)出一種巧妙的化學(xué)條形碼方法,。

　　最近因在基因編輯方面取得的進(jìn)展,，CRISPR/Cas9系統(tǒng)成為了很多新聞報(bào)道的頭條?？茖W(xué)家們利用向?qū)NA對(duì)酶Cas9進(jìn)行“編程”,，從而在準(zhǔn)確的位點(diǎn)上切割DNA，隨后細(xì)胞能夠自我修復(fù)這種DNA損傷,。Reed團(tuán)隊(duì)改變這種酶的化學(xué)反應(yīng)條件以至于它僅結(jié)合到DNA上,，但并不切割它。

　　Reed說,，“鑒于Cas9是一種在物理上比DNA分子更大的蛋白,，它對(duì)這種條形碼應(yīng)用來說是非常完美的。我們驚訝地發(fā)現(xiàn)它結(jié)合到DNA分子上的效率接近90%,。而且因?yàn)橛^察Cas9是比較容易的,，所以你能夠在DNA的模式中發(fā)現(xiàn)基因突變?！?/p>

　　為了證實(shí)這種技術(shù)的有效性,，這些研究人員繪制出淋巴瘤患者的淋巴結(jié)活組織樣品中存在的基因易位。這些基因易位在淋巴瘤等血癌中特別普遍,，但是也存在于其他的癌癥中,。

　　盡管這種技術(shù)具有很多潛在的用途，但是Reed和他的團(tuán)隊(duì)正在專注于醫(yī)學(xué)應(yīng)用,。他們當(dāng)前正在基于現(xiàn)存的算法開發(fā)軟件以便能夠分析長一百萬個(gè)堿基對(duì)及以上的DNA片段中的模式。一旦開發(fā)完成,，就不難想象在病理實(shí)驗(yàn)室中,，這種鞋盒大小的儀器就有助診斷和治療與基因突變相關(guān)的疾病。