Trình tự một phân tử DNA đơn lẻ

Trong góc văn phòng của Helicos BioSciences ở Cambridge, MA, một màn hình trông giống như một chiếc tủ lạnh khổng lồ nhấp nháy đếm ngược: 10 ngày, năm giờ và 51 phút cho đến khi nó đọc xong trình tự của tất cả DNA có đã được đưa vào nó. Máy thông lượng cao, một cấu hình phức tạp của ống, tia laser và hóa chất, chứa hai tấm, mỗi tấm có 25 kênh vi lỏng được khắc vào nó. Mỗi kênh có khả năng giữ và giải trình tự một mẫu DNA riêng biệt. Sắp xếp thứ tự các mẫu song song, máy chỉ mất một giờ để đọc 1,3 tỷ bazơ hóa học – được gọi là A, C, T và G – tạo nên một chuỗi DNA.



HeliScope là máy thương mại đầu tiên giải trình tự một đoạn DNA thay vì một đoạn được sao chép nhiều lần. Mỗi tế bào dòng chảy (ở trên) có 25 kênh, mỗi kênh có khả năng chứa 16 triệu sợi DNA để giải trình tự. Một lớp phủ trên bề mặt của tế bào cho phép nó được rửa sạch giữa các phản ứng.

Được gọi là HeliScope, nó là công cụ thương mại đầu tiên có thể đọc trực tiếp trình tự của một sợi đơn lẻ như vậy, một khả năng mang lại cho nó khả năng đạt được tốc độ chưa từng có. Trên thực tế, Stephen Quake, một nhà kỹ thuật sinh học tại Đại học Stanford, người đồng sáng lập công ty vào năm 2003 cho biết, Helicos về cơ bản đã chế tạo được bộ trình tự DNA nhanh nhất thế giới. Mặc dù không rõ liệu máy có tạo ra một trình tự hoàn chỉnh nhanh hơn các hệ thống cạnh tranh hay không (dữ liệu được tạo bởi máy giải trình tự vẫn phải được phân tích và kết hợp với nhau, một nhiệm vụ tính toán chuyên sâu), Quake nói rằng nó đang mở ra toàn bộ lĩnh vực mới của tìm kiếm.





Kinh doanh của mạng xã hội

Câu chuyện này là một phần của số tháng 7 năm 2008 của chúng tôi

  • Xem phần còn lại của vấn đề
  • Đặt mua

HeliScope, được giới thiệu vào đầu năm nay, đang tham gia một cuộc đua khốc liệt về các công nghệ giải trình tự nhanh hơn và rẻ hơn. Giá của việc giải trình tự bộ gen người đã giảm trong những năm gần đây, từ 300 triệu đô la mà Dự án bộ gen người chi cho bản thảo đầu tiên xuống còn dưới 100.000 đô la. Các ứng dụng của phương pháp giải trình tự giá rẻ hầu như là vô hạn, từ chẩn đoán bệnh tật đến nghiên cứu có thể mang lại vi khuẩn được thiết kế để sản xuất nhiên liệu sinh học hoặc thuốc.

Cuộc thăm dò bầu cử năm 2016 sai

Trong các công nghệ giải trình tự tiên tiến khác hiện đang được sử dụng, bao gồm các công nghệ từ Illumina, Applied Biosystems, và 454 Life Sciences (được Roche mua lại vào năm ngoái), DNA được giải trình tự phải được khuếch đại hoặc sao chép nhiều lần; các bản sao sau đó được đọc đồng thời để dễ dàng phát hiện ra các tín hiệu huỳnh quang cho biết vị trí của mỗi chữ cái DNA. Giải trình tự đơn phân tử bỏ qua bước sao chép, có nghĩa là nhiều mẫu duy nhất có thể được đóng gói thành một thí nghiệm giải trình tự duy nhất.



các cuộc biểu tình chống obama năm 2008 và 2012

Đa phương tiện

  • Xem quy trình của Helicos Biosciences để xác định trình tự một phân tử DNA.

  • Stephen Quake, đồng sáng lập của Helicos Biosciences, nói về trình tự.

Ngoài ra, giải trình tự đơn phân tử có thể tạo ra bức tranh toàn cảnh hơn về bộ gen. Đó là bởi vì khi DNA được khuếch đại, một số chuỗi có khả năng được sao chép thành công hơn những chuỗi khác, do đó, chúng có nhiều khả năng được biểu diễn trong chuỗi cuối cùng. Tương tự như vậy, các đột biến gen hiếm gặp có thể không được đại diện bởi vì chúng không được sao chép. Elaine R. Mardis, giám đốc điều hành Trung tâm gen tại Đại học Washington ở St.

Thức dậy vào ban đêm
Với công nghệ Helicos, DNA cần giải trình tự trước tiên được cắt thành các đoạn ngắn dài khoảng 200 base và được tiêm vào một tế bào dòng chảy, một lam kính chuyên dụng. Tế bào dòng chảy được bao phủ bởi các đoạn DNA nhỏ được thiết kế để cố định các đoạn này khi chúng trôi qua, cố định chúng vào đúng vị trí. Các đoạn DNA cố định được đánh dấu huỳnh quang để máy ảnh có thể ghi lại vị trí của chúng dưới kính hiển vi huỳnh quang. Gần một tỷ đoạn DNA có thể được phân tích trong một thí nghiệm giải trình tự đơn lẻ, so với khoảng 400.000 đến 50 triệu đối với các công nghệ khác.

Tế bào dòng chảy sau đó được lồng vào HeliScope, nơi kính hiển vi được đặt trong khối đá granit Vermont nặng 400 pound. Trọng lượng thêm vào ngăn chặn bất kỳ rung động nào can thiệp vào các tín hiệu mà thiết bị phải phát hiện. Một hệ thống quang học phức tạp và một mớ ống bao quanh kính hiển vi, kết nối nó với thứ trông giống như một chiếc tủ lạnh thu nhỏ chứa đầy những chai hóa chất được chế tạo đặc biệt.

Khi một nhà khoa học kích hoạt máy, một vũ điệu chất lỏng được biên đạo chính xác sẽ bắt đầu. Một loại enzyme có tên là DNA polymerase và một loại base được đánh dấu huỳnh quang đơn lẻ - ví dụ, A - đi vào tế bào. Enzyme làm cho những As đó chiếm vị trí của chúng trong các sợi DNA đang phát triển bổ sung cho các sợi trong mẫu. (Mỗi đế trong số bốn đế chỉ có thể ghép nối với một đế khác, vì vậy chữ A được thêm vào phải thẳng hàng đối diện với chữ T hiện có và chữ C so với chữ G.) Khi đế được gắn thẻ huỳnh quang được tích hợp vào sợi mới, máy ảnh của HeliScope có thể phát ra ánh sáng. Steve Lombardi, chủ tịch Helicos, cho biết, người chụp ảnh phát hiện một chùm ánh sáng - một hình nón 200 nanomet - từ sự tích hợp của một [cơ sở] duy nhất vào một sợi DNA, Steve Lombardi, chủ tịch của Helicos cho biết.



Các phương pháp giải trình tự nâng cao khác sử dụng một cách tiếp cận tương tự, được gọi là giải trình tự bằng tổng hợp. Nhưng không giống như những công nghệ đó, HeliScope có thể phân biệt tín hiệu huỳnh quang không được kiểm chứng của một cơ sở duy nhất thay thế nó trên một sợi DNA đang phát triển. Một chìa khóa cho khả năng đó là một vật liệu chống dính mà công ty đã phát triển, phủ lên bề mặt của tế bào dòng chảy và cho phép nó được rửa sạch giữa các phản ứng: các gốc huỳnh quang còn sót lại sẽ khiến việc phát hiện chính xác các phản ứng trình tự riêng lẻ trở nên khó khăn hơn. Patrice Milos, giám đốc khoa học tại Helicos, cho biết bạn cần đảm bảo rằng không có phân tử cơ bản thừa nào bám vào bề mặt. Đây là một trong những thách thức ban đầu lớn nhất. Sau mỗi chu kỳ, các điểm đánh dấu huỳnh quang được cắt khỏi các cơ sở mới được kết hợp, và các hóa chất còn lại sẽ bị rửa trôi. Quá trình được lặp lại tuần tự với từng cơ sở trong số bốn cơ sở.

HeliScope tạo ra một lượng lớn dữ liệu thô mỗi giây. Phải mất từ ​​năm đến mười ngày để đọc tất cả DNA có thể được nạp vào hai tế bào dòng chảy; để giải trình tự, đó là 400 triệu sợi DNA trên mỗi tế bào, có thể tạo ra trình tự có thể sử dụng được với giá trị 20 tỷ base. Các nhà khoa học tải máy, nhấn một nút trên mặt nó và rời đi. Tuy nhiên, ám ảnh về trình tự có thể sử dụng Internet để kiểm tra tiến trình của máy vào lúc nửa đêm, một điều thường thấy ở Helicos.

Khi HeliScope tạo ra một loạt các bức ảnh huỳnh quang, một trung tâm xử lý dữ liệu đi kèm sẽ chuyển đổi chúng thành các chuỗi chữ cái. Phần mềm sẽ dán các mảnh này lại với nhau để tạo thành một chuỗi dài hơn.

Thiếu đột biến
Trong một bài báo được xuất bản trong Khoa học đầu năm nay, các nhà khoa học đã báo cáo về việc họ sử dụng HeliScope để giải trình tự bộ gen của virus M13, bằng chứng quan trọng cho thấy trình tự đơn phân tử có thể được sử dụng để đọc và lắp ráp trình tự của một bộ gen hoàn chỉnh. (Dài khoảng 7.000 cặp bazơ, bộ gen của vi rút M13 rất nhỏ - kích thước bằng một phần triệu của con người.) Công nghệ này quá mới nên vẫn chưa rõ nó sẽ phù hợp nhất với những ứng dụng nào. Nhưng một số nhà khoa học tin rằng trình tự đơn phân tử có thể đặc biệt quan trọng trong việc hiểu các biến thể di truyền góp phần gây ra bệnh tật như thế nào. Rốt cuộc, một số đột biến hiếm gặp liên quan đến bệnh tật có thể đã bị bỏ sót trong các nghiên cứu bộ gen trước đây vì chúng không được sao chép trong quá trình khuếch đại.

Helicos vẫn đang nghiên cứu công nghệ, phát triển hóa học có thể tăng tốc độ của các phản ứng giải trình tự và cho phép nhiều đoạn DNA được gắn vào một tế bào dòng chảy. Cùng với các công ty lớn khác trong lĩnh vực này, công ty hy vọng sẽ cung cấp một trình tự bộ gen hoàn chỉnh với giá 1.000 đô la, một thành tựu sẽ đánh dấu sự khởi đầu của một điều gì đó hoàn toàn mới trong y học: khả năng truy cập thông tin bộ gen của các cá nhân.

Blockchain là cái quái gì

Emily Singer là TR Biên tập viên công nghệ sinh học và khoa học đời sống.

giấu

Công Nghệ ThựC Tế.

Thể LoạI

Chưa Được Phân Loại

Công Nghệ

Công Nghệ Sinh Học

Chính Sách Công Nghệ

Khí Hậu Thay Đổi

Con Người Và Công Nghệ

Thung Lũng Silicon

Tin Học

Tạp Chí Mit News

Trí Tuệ Nhân Tạo

Khoảng Trống

Những Thành Phố Thông Minh

Chuỗi Khối

Câu Chuyện Nổi Bật

Hồ Sơ Cựu Sinh Viên

Kết Nối Cựu Sinh Viên

Tính Năng Mit News

1865

Quan Điểm Của Tôi

77 Đại Lộ Mass

Gặp Gỡ Tác Giả

Hồ Sơ Hào Phóng

Đã Nhìn Thấy Trong Khuôn Viên Trường

Thư Của Cựu Sinh Viên

Tin Tức

Bầu Cử 2020

Có Chỉ Mục

Dưới Mái Vòm

Vòi Chữa Cháy

Truyện Vô Hạn

Dự Án Công Nghệ Đại Dịch

Từ Tổng Thống

Truyện Bìa

Triển Lãm Ảnh

Tạp Chí Tin Tức Mit

Đề XuấT