可攜式DNA定序儀公司Oxford Nanopore Technologies在2012年發表了相當於一般USB隨身碟大小的USB定序裝置,其尺寸比一副紙牌更小。儘管具有創新性,但也存在不少問題——包括有一點延遲,有時也不太準確。該定序儀可從雙股螺結構中取得單鏈DNA,並經由蛋白質孔傳送少量的電流。

根據美國科技網站Ars Technica報導,DNA的4個鹼基(A、C、G、T)能以不同方式改變奈米孔兩側電流與電壓,透過測量該電流與電壓的變化,就能分別對於單鏈DNA進行定序。

六年後的今天,研究人員由於關注這些蛋白質奈米孔的特性,發現了該定序儀的新用途。在日前發表於《自然生物技術》(Nature Biotechnology)期刊的論文中,英國伯明罕大學的研究人員介紹該定序儀所提供的超長讀長(long read),以及如何將它用於為先前抗拒表徵的人類基因組進行定序。該裝置還可用於決定來自另一個基因的兩組染色體,為整個基因組定位表觀遺傳學控制的區域。

該定序儀的新用途是由英國伯明罕大學(University of Birmingham)微生物與感染學研究所教授Nick Loman和博士班研究生Josh Quick共同開發的。Quick在發展讀長方法方面扮演重要角色。

雖然該定序儀仍然易於出錯,但比起具有較高準確度的定序儀發生錯誤時卻更勝一籌,特別是在讀取具有超過200個鹼基的DNA時。當DNA重複時,其他的軟體程式也沒輒了。而當高度準確的裝置搭配Oxford Nanopore的小型裝置使用時,可實現一種提供序列的折衷方案,並顯示該序列如何形成更大的部份。

該研究採用不同的軟體解決方案和電壓數據詮釋資料,探索幾種產生最佳奈米孔定序的方法。研究人員以多種方法進行多次讀取和繪圖,最終達到了99.44%的準確率。

Ars Technica的報導中解釋,因為我們繼承了分別來自父母的兩個複製染色體——儘管版本不同,但底層的DNA是相同的。這意味著短讀長的DNA無法確定二者分別為何。因此,奈米孔提供的長讀取極其關鍵。在實驗過程中,研究人員發現其讀長高達88.2萬個鹼基,這是在最初的基因組定序計劃中無法實現的。研究人員並預測,這項新的應用將有助於填補原始基因組計劃中的所有空缺。

研究人員在研究過程中確實也遇到了一些挑戰。他們發現用於保存DNA資料的通用檔案規格無法處理過長的序列,導致分析軟體出現故障。當然,如果能更新軟體使其包含這項功能,那麼未來應用可能性是無止境的。

Loman說:「即使是在一年前,實際上也還難以對整個人類的基因組進行定序,但得力於奈米孔等技術近來的進展和創新,我們現在已能定序非常長的基因組片段。」他還把這種定序方法比喻為拼圖。

「在這項研究中,最重要的發現之一是,即使完成了人類基因組參考或者認為已經完成一段時間了,它仍然包含許多不足的部份,我們開發的新方法採用奈米孔定序發展出超長讀長,從而縮短了序列中的一些差距。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Oxford Nanopore promises DNA sequencing with hardware that fits in a USB,by Heather Hamilton, contributing writer)