便携式测序技术，开启实时测序时代？
2020-10-28 09:51|
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评论: 0|来源: 肠道产业 | 作者：Carlos De Rojas
摘要: 这是《肠道产业》第 430 篇文章编者按：随着对 DNA 结构和序列的研究，DNA 测序技术不断发展，成为生命科学研究的核心领域，对生物、化学、电学、医学等领域的技术发展起到巨大的推动作用。而近年来兴起的第四代测序 ...
随着对 DNA 结构和序列的研究，DNA 测序技术不断发展，成为生命科学研究的核心领域，对生物、化学、电学、医学等领域的技术发展起到巨大的推动作用。而近年来兴起的第四代测序技术——纳米孔测序技术，成为测序领域的新兴热点。纳米孔测序技术具有快速、低成本、高通量等优势，而便携式纳米孔测序仪的出现，更是让研究人员能够在实验室外读取生物样本中的遗传物质，大大拓展了其应用场景。今天，我们特别关注纳米孔测序技术的发展与应用。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。由于纳米孔测序技术，科学家们现在能够收集和测序来自于任何地方的样品。这项技术将“背包旅行”的概念应用到了科学研究中。（编者注：纳米孔测序技术，又称为第四代测序技术，其原理是当碱基 G、A、T、C 以不同的组合穿过纳米孔时会产生不同的电流变化，仪器会根据电流变化来识别 DNA 分子。）法国分子生物学家 Anne-Lise Ducluzeau 在对阿拉斯加冰冻环境的研究中，第一次运用了这项技术。她说道：“我记得带着座位上的测序仪开车回家时，当时温度是零下 20oF（-29oC），但是汽车里很温暖，所以它还一直在测序。” 在过去的四年里，她一直在使用便携式纳米孔测序仪进行研究。Ducluzeau 说：“我感受到的乐趣和这项技术提供的新可能使我清楚地认识到这是我传播知识和激情的方式。”在白令海的一艘科考船上，她第一次使用便携式测序设备进行工作时，Ducluzeau 意外地遭遇到了台风的附带影响。她回忆道：“当我们开始在 Trami 台风之下航行时，当时的想法是让 12 名大学生对 DNA 样本进行实时分析来描述海洋景观。暴风雨完全扰乱了水柱的自然分层，学生也注意到了这一点。这将挑战提升到了另一个层次”。
移动的遗传学实验室正在改变实地调查研究人员的工作流程。Ducluzeau 指出，自从她在 2016 年发现它以来，便携式测序技术实实在在地改变了她的研究。她使用的名为 MinION 的设备在两年前就已经出现在市场上。从那时起，使用该技术的实地调查研究数量逐年增加。MinION 测序仪比智能手机小，可以在任何地方实时进行 DNA 测序。这项技术包括一种可以让 DNA 链穿过的特殊蛋白质，这种蛋白质被称为“纳米孔（nanopores）”。当纳米孔打开时，其通道大小仅能使 DNA 分子通过。当 DNA 链穿过纳米孔时，原本通过纳米孔的电流就会被破坏，并且组成 DNA 的四种碱基会对电流产生不同的影响，因此可以依据电流的变化对碱基进行识别。MinION 测序仪背后的牛津纳米孔技术公司在全球测序市场上与 Illumina 等巨头公司展开了激烈的竞争。这家总部位于英国的公司通过提供价格低至 1,000 美元（约合 860 欧元）的便携式测序技术，以吸引研究人员。有了这些新工具，任何人都可以满足他的好奇心，获得各种生物的基因组。并且，该技术可以使科学家们将他们的实验室直接搬到自然界。在生物多样性加速丧失的时代，这一点比以往任何时候都更加重要。世界上很少有栖息地比马达加斯加的森林更能体现大自然的生物多样性。不幸的是，马达加斯加正遭受快速的森林砍伐之苦。北卡罗来纳州杜克狐猴中心的阿根廷科学家 Marina Blanco，自 2004 年以来一直在该国进行研究，主要研究东部雨林中的鼠狐猴和矮狐猴。“我们从 2018 年开始利用移动实验室工作，当时我们在 Anjajavy 森林中设立了一个实验室。”Marina 说。她和她的同事们成功地从这些狐猴中提取了 DNA 并进行了测序，这使他们得以确认森林中某些狐猴物种的存在。“我们在现场的研究方案将所有方法——捕获、取样、分析、测序——结合在一起。这意味着实地研究和实验室研究实际上可以由同一个人执行。这使我们能够在几天之内回答一个问题，而不必等待数月或数年。”现场测序还可在生死攸关的情况下节省宝贵的时间，例如确定引起疾病的微生物。由美国计算生物学家 Laura Boykin 领导的一组研究人员在短短几个小时内，就能够确定哪些病毒感染了非洲农场的农作物，并向其主人发出了警报。Boykin 说，“这项技术已经改变了我们的一切。我们本来打算建设固定的实验室，但是当我们意识到所有这些昂贵的设备都可以搬运到农民那里时，我们改变了主意。”她的研究团队使用 MinION 测序仪来识别破坏木薯作物的病毒。“这些农场被美丽的森林所环绕，但是农场周围的植被可能是病原体的潜在来源。我们正在使用便携式测序技术在它们造成重大产量损失之前对病原体进行鉴定。”确定这些病毒可能是粮食安全的重要一步，并可以增加全球农民的收入。Boykin 可以在当天将结果传达给农民，这意味着当地人可以立即采取措施。在坦桑尼亚的一次干预中，她的团队确定了感染木薯作物的特定病毒株。这使当地人可以种植抗该病毒株的品种，将其产量从 0 吨/公顷升至 30 吨/公顷。便携式 DNA 测序也可以在地球上不宜居住的地方工作，那里的生命需要寻找新方法来适应恶劣条件，例如营养、光照或氧气的缺乏。尽管研究这些嗜极生物对从抗衰老到作物健康的应用非常有益，但获取和分析它们却可能是一个挑战。莱顿大学的教授 Menno Schilthuizen 在研究仅生活在黑山发现的洞穴中的甲虫时面临着这一挑战。他说：“我们的团队爬到高高的山上，到达洞穴入口，然后带着便携式 DNA 测序设备爬过狭窄的通道。在非常恶劣的环境下，我们却能够在几个小时内提取出甲虫 Anthroherpon zariquieyi 的 DNA 并进行测序。”他还说道：“太冷了！我们尝试着在这样的温度下使用移液管或不泄漏的胶体。当然，没有什么是平坦的。我们很难找到一块合适的岩石水平板，作为临时的实验室工作台。”对于 Schilthuizen 及其团队来说，便携式测序技术的主要优势在于，它使他们能够绕过生物样品跨境出口的复杂规定。这样可以节省数月的等待时间。他说：“过去，如果我们想进行 DNA 工作，我们需要申请出口许可证。现在，我们可以直接在野外进行此操作，并且可以在出国之前将样品存放在当地的自然历史标本收藏库中。事情被大大简化了。”更多冒险的科学家在地球上其他偏远的地方使用这些设备，例如阿姆斯特丹大学的研究员 Ineke Knot，在印度尼西亚工作，以保护大猿猴不受人类感染，又如英国生物工程师 Glen Gowers 及其团队在一次探险中，完成了对欧洲最大的冰盖——冰岛的瓦特纳冰原超过 24 小时的连续 DNA 测序。图.Marina Blanco 和她的同事 Lydia Greene 在马达加斯加工作尽管便携式测序技术对全世界许多生物学家来说是一个巨大的进步，但它仍然有局限性。在大自然的中心工作意味着当您需要将数 GB 的数据发送到云端时，无线连接通常不可使用。设备也可能会过热，并且可能存在电量的限制，导至其无法在现场进行 DNA 测序。因此，便携式测序技术仍有很大的改进空间。Boykin 强调：“从科学上讲，我们需要简化流程的所有步骤。没有移液器，没有 Unix 命令行，所有这些都需要简化。”在设备的坚固性和简单性之间取得平衡将是充分利用现场测序潜力的关键。Blanco 补充道：“试剂应耐受显著的温度变化，并保持功能数天。而且，尽管在现场非常普遍，但是在极端环境条件下进行运输目前仍会使这一过程变得十分脆弱。”自便携式测序技术出现以来，它的准确性就一直是一个令人关注的问题，尽管多年来这种技术的准确性一直在提高。Duzucleau 认为：“这种准确度足以创建生物多样性数据库，而且我们绝对需要提供数据库。让我们去那些生物多样性丰富但受到威胁和无法进行 DNA 测序的国家，让便携式测序帮助我们实现这一目标。”DNA 测序通常只是研究项目的第一步。为了回答一个特定的问题，研究人员还需要分析工具。目前，为解释纳米孔测序数据而开发的大多数软件都需要研究人员具有很高的编码技能，而这是大多数生物学家所缺乏的。Schilthuizen 说，直到今天，他们仍在使用定制脚本将纳米孔读码转换为质量可靠适合进行物种鉴定的 DNA 条形码，因此，这一过程仍需要大量简化和标准化。越来越多的算法和工具正在开发中，但仍有很长的路要走。Blanco 说：“在互联网不可用的情况下，生物信息学还应该能够在离线状态下发挥功能”。目前，脆弱的互联网连接可能是偏远地区进行实时分析的主要瓶颈之一。但是目前还没有可以脱机工作的软件。随着便携式测序技术在科学家中越来越受欢迎。近年来，许多公司如雨后春笋般涌现，以进一步推动其应用。在英国，初创公司 Bento Lab 出售采用纳米孔测序技术的便携式 DNA 实验室；在加拿大，Wild Tech DNA 公司正在使用该技术来阻止非法野生动植物的运输；在意大利，Wonder Gene 公司提供便携式测序设备满足不同的应用需求，包括食品质量控制和微塑料污染的检测。在世界范围的大流行中，纳米孔测序也被证明是测试 Covid-19 的有用工具，其结果可在一个多小时内完成。同时，在国际空间站的微重力作用下，美国宇航局宇航员和生物学家 Kate Rubins 在 2016 年首次对太空中的 DNA 进行了测序。在太空中，便携式测序技术可以支持生物技术应用，例如种植食物，生产氧气和水以及保持宇航员健康，它甚至可以成为未来太空飞行任务的便捷生命探测工具。随着消费市场的不断扩大，牛津纳米孔技术公司一直致力于改进和开发新功能，例如开发一种可以集成到智能手机中的设备。这些进展将使生物学研究比以往更接近公众。Blanco 评论道，“从高中到大学生，亦或是对科学和自然保护感兴趣的志愿者都可以使用这一设备，并且这些设备可以帮助低收入国家的新兴科学家开展研究计划和追求他们自己的兴趣”。移动实验室可以使社区开展环保计划。其中一些举措可以使游客参加到研究探险之中，使他们直接与目标自然栖息地互动。Schilthuizen 说：“大多数参与者被这项技术的简单性及其使分类学变得如此大众化的事实所震惊。” Schilthuizen 认为仅用几年时间就可以向公众提供手持式 DNA 识别工具。但是，向整个社会提供技术仍然需要进一步的技术进步。Ducluzeau 解释道：“我可以想象到公众使用用户友好的便携式 DNA 测序仪来解决非常具体的问题，并且其中涉及的生物信息工作流程将会被大大简化。但是这仍然需要对使用者进行培训，毕竟它还不是即插即用的工具。”也许无所不在的基因组学的社会并不遥远，微型测序仪和微型实验室将出现在任何地方，并在我们希望的任何时候提供基因组数据。Boykin 说：“我希望看到每个领域都在使用这些设备，我也确实认为，在不久的将来公众会使用它们，但这也将会导至非常有趣的数据隐私问题。”原文链接：https://www.labiotech.eu/genomics/portable-sequencing-genetics-research/ |
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