奈米孔讓DNA定序更快、更省
- 上線日期：2010/4/13 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
DNA就像生命的程式，它由四種鹼基(base)組成，分別是腺嘌呤(adenine, A)、鳥糞嘌呤(guanine, G)、胞嘧啶(cytosine, C)、胸腺嘧啶(thymine, T)，這些鹼基形成互補配對，排出物種特有的基因序列，其中蘊藏著使得細胞得以正常運作的蛋白質建構藍圖。
現行的DNA定序方法需要複製多套一模一樣的DNA序列，此過程不僅耗時而且所費不貲，因此科學家競相發展能降低成本且提升DNA定序速度的新技術。其中利用奈米孔(nanopores)來定序單一DNA分子是一項革命性概念，不僅能免除複製過程，更能將定序成本降至每個基因體(genome)美金1000元以下。
奈米孔是在厚度為奈米級的薄膜上的孔洞，大小與DNA分子的寬度相仿。當這些孔洞浸泡在電解質中且有外加電壓橫跨薄膜兩側時，就會有電流流過孔洞。此時除了電解離子，帶電的DNA分子也會開始電泳移動穿過奈米孔，但洞的大小一次僅能容許一個分子通過。
上述DNA定序的原理是藉由DNA分子通過奈米孔洞時，偵測每對鹼基引起的膜電壓或電流的變化，其中最大的挑戰是訊噪比(signal-to-noise ratio)必須能區分出每個鹼基對。由於區分鹼基的訊號通常只有微伏(microvolt)或微微安培(picoamp)，而且約每10奈秒就會有一個鹼基對穿過孔洞，因此快速、高精確度的定序需要高頻且低電噪聲測量。
最近，美國伊利諾大學的研究人員透過三種方法，設計出能減少高頻噪訊的奈米孔：增加膜的厚度、縮小膜面積以降低寄生電容，以及用外部電路補償膜電容。這三個方法的關鍵都是減少膜電容，以改善DNA定序時整體的電性。他們利用半導體製程中的光微影術(photolithography)，在約膜上厚約5 μm的介電材料上製作出微米級圖案，以減少面積。
研究小組也發現，只需將膜上的介電質加厚，就能改善頻寬和噪訊問題。由於高頻噪訊及奈米孔反應速度都與孔-膜系統的電容值相關，這項發現尤其可貴。一旦電容值降低，奈米孔中的電解質流的電阻便成為唯一影響系統阻抗(impedance)的因素，不但產生的高頻噪訊可以忽略，截止頻率也得以降低。詳見Nanotechnology 21, p.065502 (2010)。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/42062
譯者:賽逸昕(國家衛生研究院)
責任編輯:蔡雅芝
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