中国西南交通大学发现长链DNA在低NaCl浓度下更利于纳米孔测序
中国西南交通大学的研究人员最近发现，长链DNA在低NaCl浓度下更利于纳米孔测序。这项研究是从摩擦学角度初步探讨了不同链长DNA在纳米孔测序过程中的构象及摩擦行为的变化。这一项发现为纳米孔测序技术的发展提供了线索。相关文章发表于2013年第12期《中国科学：技术科学》英文版。
中国西南交通大学发现长链DNA在低NaCl浓度下更利于纳米孔测序
作为遗传信息的载体，准确探测DNA序列能从根本上治疗及预防诸多疾病。人类基因组计划使用第一代Sanger测序技术，耗时十几年，直接花费超过10亿美元。以Roche公司454技术为代表的第二代基因测序技术仅需一周就能完成人类个体基因组测序，花费不到100万美元。
近年来崭露头角的基于纳米孔的第三代基因测序技术通过检测DNA分子通过纳米孔时产生的特征阻塞电流来探测DNA序列(图1)。此项技术凭借快速、精确、低成本的优势，有望完成美国国立卫生研究院(NIH)设定的只用1000美元完成个人基因组测序的目标。
然而目前仍有一些关键问题亟需解决：例如弯曲缠绕的DNA分子难以进入纳米孔;过快的过孔速度使电流信号的检测更加困难。因此，DNA分子的构象及其与纳米孔孔壁间的作用力对测序过程有着重要影响，研究盐浓度及链长对DNA分子构象及其摩擦学行为的影响十分必要。
在之前的研究中，钱林茂教授与其团队发现，较低的NaCl浓度能使DNA形成更为伸展的分子构象并且增大DNA与纳米孔孔壁间摩擦力，这些均利于纳米孔测序的进行。在该项研究中，钱教授与其团队发现随着链长的增大，DNA分子较为伸展，使其能够更为顺利地进入纳米孔;同时在低载下链长对DNA与孔壁间的摩擦力影响较小，说明纳米孔测序技术能适用于各种链长的DNA分子。因此，在低NaCl浓度下长链DNA更利于纳米孔测序。
“今后，随着纳米孔测序技术的发展，每个人都能负担得起自身的基因测序。”钱教授说道，“基于我们的研究结果，纳米孔测序技术不会被DNA的链长所限制，也就是说更长的读取长度有望实现，有助于提高测序效率，从而降低测序的成本。”
该研究结果有助于理解NaCl浓度及链长对DNA分子构象及其摩擦学行为的调控机理，并对基于纳米孔的第三代基因测序技术的发展具有重要的指导意义。目前，该团队已开始进一步地研究纳米孔测序中各项参数的优化。
钱教授表示，除了优化纳米孔测序过程中的各个参数，还有很多基础研究需要完成，他们的团队也将进行进一步的探索。
研究得到了国家重点基础研究发展计划(973)(批准号: 2011CB707604 和 2011CB707603)和国家自然科学基金资助项目(批准号: 91323103, 51375409 和 21222401)资助。
作者简介：
钱林茂，博士、西南交通大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。
1971年生，1989年就读清华大学，1994年获工学学士，1994年作为免试推荐研究生(硕博连读)，师从温诗铸院士，于1999年获机械设计与理论专业博士学位，期间因合作交流在香港科技大学担任助理研究员;1999~2001赴法国巴黎高等师范学校(Ecole Normale Supérieure)从事博士后研究;2001~2002到香港科技大学进行访问研究。2002年底，作为优秀留学回国人员引进，担任西南交通大学机械工程学院摩擦学研究所教授。2004年被遴选为四川省杰出青年学科带头人培养对象，同年入选首批教育部“新世纪优秀人才支持计划”。2006年获国家杰出青年科学基金资助。
钱林茂教授的研究方向为纳米摩擦学。经过十余年的潜心研究，他在“湿度对微观摩擦与粘着的影响机理”、“原子力/摩擦力显微镜针尖和样品间的材料转移机制”、“镍钛合金相变相关的微观变形和磨损机制”、“纳米级流体膜的失效机理”、“纳米尺度下链状分子摩擦力的起源” 等方面取得了一批有理论意义和应用价值的成果。相关成果已发表学术论文38篇，被SCI收录20篇;其中，近5年在Appl. Phys. Lett.(影响因子4.308)、J. Phys. Chem. B (3.834)等国际重要学术期刊发表论文19篇，被SCI收录15篇(第一作者12篇，期刊平均影响因子2.2)，EI收录4篇。发表的论文被20余个国家、58种SCI收录学术期刊他人引用120余次，单篇论文最高被他人引用40余次。研究成果不仅被美国科学院与工程院院士Whitesides教授和中科院副院长白春礼院士引用，还分别得到保加利亚科学院院士Kralchevsky教授与芬兰工程院院士Nieminen教授的充分肯定并在其论文中作详细评述。
近年来，钱林茂教授应邀分别在IUTAM-2004(国际理论和应用力学联合会)Hong Kong国际研讨会、摩擦学中英双边国际研讨会-2006上作邀请报告。 自2002年到西南交通大学工作以来，钱教授已先后主持3项国家自然科学基金项目和5项省部级项目(包括博士点基金和霍英东基金等)，并作为核心人员参加国家自然科学基金创新研究群体项目。
原文摘要：
Effect of chain length on the conformation and friction behaviour of DNA
WANG Mian, CUI ShuXun, YU BingJun, QIAN LinMao
Four double-stranded DNA films with different chain lengths were prepared on 3-aminopropyltriethoxysilane (APS)-modified mica surfaces in the NaCl solution with concentration ranging from 0.001 to 0.1 M. By using an atomic force microscope, the force-distance curves and friction behaviour of each DNA film were studied in the NaCl solution that was used in the sample preparation. When adsorbed on mica as films in salt solution, the conformation of DNA molecules would be a combination of loops and "train-like". As the chain length increased from 50 to 20000 bp, the extension rate of DNA film increased from 7.1 to 11.5 in 0.001 M NaCl solution, which suggested that the DNA molecule with long chain likely resulted in more extended conformation. In addition, under low normal load, low NaCl concentration could increase the friction of DNA film and the chain length revealed insignificant effect on the friction force of DNA film. Therefore, long chain DNA with low salt concentration is more conducive to the nanopore sequencing process, since extended conformation can make DNA molecules easier to reach into nanopore and the high friction can reduce the translocation speed. These results may benefit the development of the third-generation sequencing technique based on nanopore.
