测序研究新突破！充电石墨可让DNA“跳芭蕾”

当美国伊利诺伊州大学的研究人员准备研究一种控制DNA如何在小型测序设备里移动的工具时，他们并不知道他们将见证一场分子体操秀。快速、精确、可负担的DNA测序是朝个性化医疗迈出的第一步。在一片石墨薄膜层上让DNA分子经过一个小孔——纳米孔使得科学家们可以读取DNA序列；然而，他们对DNA移动经过这个纳米孔的速率的控制非常有限。

在期刊《自然通信》上发表的一项最新研究里，伊利诺伊州大学的物理学教授阿列克谢?阿克斯门托夫（Aleksei Aksimentiev）和研究生马尼什?山卡拉（Manish Shankla）对石墨层加入电荷，希望DNA能够对电荷产生反应，使得他们可以减慢DNA链里每一个单个链接，也即核苷酸的移动。

“理想来说，你想要每一次只让一个核苷酸经过纳米孔，对它进行测量，然后再让下一个核苷酸经过。这是终极目标，但目前我们尚未实现它。我们的研究显示，从某种程度上说，我们可以通过对石墨充电来控制这个过程。”阿克斯门托夫说道。

研究人员发现石墨层的正电荷可以加速DNA经过纳米孔，而负电则会阻止这一过程。然而，正如科学家所观测到的，DNA似乎会在石墨层表面跳舞，旋转成他们从未见过的形状，特定于DNA核苷酸序列。

“这让我想起了天鹅湖，”阿克斯门托夫说道。“这就像耍杂技。我们对在石墨层表面观察到的DNA构造多样性感到惊讶不已。一层序列开始平铺到表面，当我们改变充电，它们会朝一边倾斜，仿佛在做单臂引体向上。然而，我们也发现有向后退的核苷酸，或者向上移动的，就像芭蕾舞娘优雅地以脚尖站立。”

阿克斯门托夫提出假设称构造各不相同且特定于DNA序列，因为每个核苷酸都有略微不同的电子分布。当核苷酸甲基化时，甚至可以看到明显的差别。

通过开关石墨层的充电过程，研究人员不仅可以控制DNA穿过纳米孔的运动，还能够控制DNA扭曲成的形状。“因为这是可逆的，我们可以使得它采取一种构造然后迫使它回到之前状态。这就是我们所谓的体操运动。”阿克斯门托夫说道。

研究人员利用了伊利诺大学国家超级计算机应用中心的蓝水超级电脑。他们绘制了复杂DNA分子的每个单个原子并对很多不同的DNA序列进行了无数次计算机仿真。超级电脑的能力对进行这种仿真至关重要。

“这真是个计算密集的项目，”阿克斯门托夫表示。“借助蓝水超级计算机至关重要，因为单看需要仿真的次数我们就无法完成它，它将花费大量的时间。”

接下来一步将是结合充电纳米孔设置和传感器以建立一个DNA测序设备，后者将融合运动控制和核苷酸识别。研究人员还希望探索意外的构造改变以获得有关实验胚胎学的新见解，这一领域主要是研究基因是如何表达和修改的。“DNA远比双螺旋复杂的多。这是一个拥有诸多特性的复杂分子，我们仍在努力揭开其中的秘密。”阿克斯门托夫解释道。