新概念：石墨单分子层孔道DNA测序法

美国国家标准与技术研究院（NIST）近期提出了一种高效、精确的DNA测序方法。通过将DNA分子从超薄的石墨片层结构的孔洞中拉动，通过测量石墨孔洞边缘产生的电位变化，从而实现高速、高精度、高效率的DNA测序。该方法不同于以前的桑格尔测序法以及第二代第三代测序法。相关工作发表在《Nanoscale》上。

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NIST的研究表明，该方法可以在一秒钟时间内，识别约660亿个碱基，而且有90％的准确性，并且没有假阳性（false positive）。现在的这个测序还仅仅停留在概念层次，如果真的能够被实验证明，该方法可能最终会比会常规DNA测序更快和更便宜，是真正面向未来的测序方法。

在20世纪70年代开发的常规测序，涉及分离、复制、打标签和DNA的重组件，来读取的遗传信息。NIST的新方法则基于将DNA拉过纳米孔道的理论。这个概念开创于20年前，基于带电粒子（离子）通过纳米通道，会引起电位的变化。时至今日，这个想法仍然很流行，但会造成诸如不必要的背景电流信号噪声、或干扰，也面临着选择性不足的挑战。

相比之下，NIST的新测序流程，是要建立临时的化学键，依靠石墨烯的能力，从打破这些化学键，将机械应变信号转变为电流信号。这实际上是一个很小的应变传感器，科学家认为他们虽然没有发明完整的技术，但是提出了一个新的物理原则，即有可能是远远优于其他测序方法。由于它的电性能和小型化的薄膜结构，石墨烯是在纳米孔测序概念中非常合适。在新的NIST法，石墨烯纳米带（4.5X15.5纳米）上有多个纳米孔道（2.5纳米宽），其中可以通过碱基。

使用计算机模拟该系统在室温下在水中进行测序，胞嘧啶附着到纳米孔，可以检测到鸟嘌呤。甲单链DNA分子从纳米孔通过，当鸟嘌呤通过是，与胞嘧形成啶氢键。当DNA的不断移动，石墨烯被猛拉，然后滑回原来的位置，键锻裂，从而出现电流变化。

研究人员利用与理论相结合的模拟数据，来估计可测量信号变化的水平。信号强度是在毫安范围内，比早先的离子电流的纳米孔的方法信号更强。基于90％的准确率的性能，而无需任何误报（没有假阳性），研究人员认为，相同的DNA链的四次独立的测量将产生99.99％的精度，可以达到测序人类基因组所需要的精确度。

理论分析表明，基本的电子过滤方法，可以分离出有用的电信号，而不需要复杂的数据处理，或其他严格限制的操作条件。除了连接碱基，纳米孔，所有的传感器组件已通过其他研究小组用实验证实可行。这项研究的作者得出结论，该测序的新概念充满了希望，这可能是新一代颠覆时代的新概念。

参考文献：

1、National Institute of Standards and Technology (NIST). "Fast, accurate DNA sequencing through graphene nanopore." ScienceDaily.15 January, 2016. <www.sciencedaily.com/releases/2016/01/160115140134.htm>.

2、Eugene Paulechka, Tsjerk A.Wassenaar, Kenneth Kroenlein, Andrei Kazakov and Alex Smolyanitsky. Nucleobase-functionalized graphene nanoribbons for accurate high-speed DNA sequencing. Nanoscale, 2016.DOI: 10.1039/C5NR07061A

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