从几十年到几天生物物理学家在创纪录的时间内揭示DNA行为

研究单个DNA分子的行为有助于我们更好地了解遗传疾病并设计更好的药物。然而，到目前为止，逐个检查DNA分子是一个缓慢的过程。

代尔夫特理工大学和莱顿大学的生物物理学家开发出一种技术，可将单个DNA分子的筛选速度提高至少一千倍。利用这项技术，他们可以在一周内测量数百万个DNA分子，而不是几年甚至几十年。这项研究发表在《科学》杂志上。

“DNA、RNA和蛋白质是调节我们身体细胞中所有过程的关键因素，”莱顿教授约翰范诺特解释道。

“要了解这些分子的(错误)功能，必须揭示它们的三维结构如何依赖于它们的序列，为此必须一次测量一个分子。然而，单分子测量费力又慢，而且可能的序列变异数量巨大。”

现在，科学家团队开发了一种创新工具，名为SPARXS(用于快速探索序列空间的单分子并行分析)，可以同时研究数百万个DNA分子。

“传统的技术每次只能探测一个序列，通常每个序列需要几个小时的测量时间。使用SPARXS，我们可以在一天到一周的时间内测量数百万个分子。如果没有SPARXS，这样的测量将需要几年甚至几十年的时间，”代尔夫特大学教授ChirlminJoo说。

“SPARXS使我们能够研究大型序列库，为DNA的结构和功能如何依赖于序列提供了新的见解。此外，该技术还可用于快速找到从纳米技术到个性化医疗等应用的最佳序列，”博士候选人CarolienBastiaanssen补充道。

从未合并过

为了创建新的SPARXS技术，研究人员结合了两种前所未有的现有技术：单分子荧光和下一代Illumina测序。

第一种技术是用荧光染料标记分子，然后用灵敏的显微镜进行观察。后一种技术可以同时读取数百万个DNA代码。

Joo说道：“我们花了一年时间来确定将这两种技术结合起来是否可行，又花了四年时间开发出一种工作方法，最后又花了两年时间确保测量的准确性和一致性，同时管理生成的大量数据。”

“当我们需要解释数据时，真正有趣的部分就开始了，”第一作者IvoSeverins说。

“由于这些将单分子测量与测序相结合的实验是全新的，我们不知道会得到什么结果。这需要在数据中进行大量搜索才能找到相关性和模式，并确定我们看到的模式背后的机制。”

克服数据处理挑战

他们必须克服的另一个挑战是处理大量数据，VanNoort补充道，“我们必须开发一个自动化且强大的分析流程。这尤其具有挑战性，因为单个分子很脆弱，只能产生微量的光，这使得数据本身就很嘈杂。”

“此外，即使对于我们研究的相对简单的DNA结构，所得数据也无法直接提供有关序列如何影响DNA结构和动力学的见解。为了真正测试我们的理解，我们建立了一个结合我们对DNA结构的知识的模型，并将其与实验数据进行了比较。”

更精确地操纵和理解DNA序列可能会带来医学治疗的进步，例如更有效的基因疗法和个性化医疗。研究人员还预见了生物技术创新以及从分子水平上对生物学的更好理解。

Joo总结道：“我们预计，基因研究、药物开发和生物技术领域的应用将在未来五到十年内开始出现。”