一手搞定DNA:DNA定序手持裝置

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在雨林中發現了不曾見過的物種,想要馬上鑑定品系;偏遠鄉下刑案現場找到可疑的煙蒂,急需做 DNA 比對以過濾嫌犯。這些情況都須要第一時間進行 DNA 定序來分析找到的線索,但無奈鑑定中心與先進儀器皆遠在天邊,當下手無寸鐵,就算天生視力 2.0 也看不到 DNA 序列。於是許多絕無僅有的機會,就只能眼巴巴地看著它溜走……

Oxford-Nanopore2

世界最小的可攜式定序裝置

比手掌還小、重量 100 克左右,貌似印章盒的長方體,就是 Oxford NANOPORE Technologies 公司推出的DNA定序裝置── MinION 。除了體積小的優勢, MinION 在使用上也相當簡單;只要將接線插入電腦 USB 孔,打開操作軟體設定參數,再把樣本滴於儀器之預設孔洞後,就可開始分析。 MinION 更具有可讀取之 DNA 長度極長 (試驗中已有成功定序 20 萬對鹼基序列的經驗),以及定序過程便能同時看到已經讀出的結果,毋須等到程序完全結束等兩大好處。這樣不僅能應付幾乎所有非基因體定序用途之 DNA 解碼工作,更有即時追蹤和運用定序結果的能力,不會出現定序後才發現操作失誤或樣本處理失敗而得不到結果的問題。

關鍵技術 ── 奈米孔洞 (Nanopore)

MinION 的偵測晶片是以一塊不導電之帶孔洞聚合物膜為基底,於各孔嵌入一個僅能讓單股 DNA 通過的蛋白質奈米通道。當 DNA 經由解開雙股螺旋的酵素拆成兩條單股後,其中一條會被一點一點推過蛋白質通道。此時孔洞側邊偵側單元便判斷經過之分子代表基因密碼 A、T、C、G 中的哪一種,並送出判讀結果到外接電腦記錄序列密碼。而其中一股讀完後,互補的另一半也會接著送進去再讀一次,最後會互相比對以增加準確性。另外由於一片晶片上有數百處孔洞,能同時多頭進行讀取,故 Oxford NANOPORE Technologies 公司宣稱一次能夠定序一億五千萬個鹼基的密碼長度。相對來看,人類基因體共有約三十億個鹼基,因此理論上用 20 台手持 MinION 裝置即可完成定序,效率與當初耗費 11 年才完成的人類基因體定序計畫實在不可同日而語。

minION

限制與待改進之處

雖有上述眾多優點, MinION 過高的錯誤率一直是其最大痛點。縱使內部測試人員宣稱只有 5% 的錯誤率,但許多研究人員使用後卻發現誤差可高達 30% 。當中重複的相同鹼基序列是定序的最大問題。而且即使可達 95% 的準確度,這也不及臨床和鑑識可接受的門檻;試想,人與人之間的基因序列只有 1% 的差異,那麼法治機關可用準確度只有 95% 的機器確定 DNA 殘跡來自某位特定人士,並進行定罪甚至判死嗎?相較於 MinION,DNA 定序老字號 Illumina 公司的旗下定序機器已可達到 > 99.98% 的準確度,且單次耗材花費也低上許多;惟機器本體明顯較笨重而昂貴。為了彌補此缺點並追上對手,MinION 開發人員正積極進行改良,像是改善讀取裝置的靈敏度,或是提升分析軟體以拼出準確度更高的 DNA 序列等等。

MinION終究會顛覆現有生物研究的框架

或許有人質疑原有的 DNA 定序儀器已經發展成熟且費用相對低廉,那一個錯誤率可能高達三成的新產品有什麼競爭力?但誠如 Oxford NANOPORE Technologies 公司的企業目標:讓任何人在任何地方都可以對任何生物進行分析,此攜帶式 DNA 定序裝置即使在資源匱乏的地方也能及時完成重要工作。例如前些日子西非爆發伊波拉病毒大流行,便有科學家帶著 MinION 進入疫區,當場取得檢體並在短時間內鑑定出造成疫情爆發的病毒株。此外,美國太空總署 (NASA) 也正在測試此裝置能否在無重力環境使用,並預計未來將投入火星探索計畫,第一時間分析紅色星球上任何有機物質。除此之外,經過改良而提升精準度的 MinION,更可作為中小學基礎教育的一環。所以 MinION 帶來的新概念是:生物和基因研究將不再是高知識、高資本的高門檻工作,而是有機會像資訊科技一般更為普及。屆時,人人都有機會成為下一個基因界的達爾文!

參考文獻

1. Oxford NANOPORE 對 MinION 的官方介紹網頁:
https://www.nanoporetech.com/products-services/minion-mki
2. 著名 Nature 期刊對 MinION 的專題報導:
http://www.nature.com/news/pint-sized-dna-sequencer-impresses-first-users-1.17483

圖片來源:
http://maxmollon.com/explorations/
zmescience.com/medicine/genetic/oxford-nanopore-minion-usb-dna-sequencing-3219443/
https://ro.wikipedia.org/wiki/Secven%C8%9Bierea_nanopore

本文授權轉載自:
基因領域最專業媒體團隊-基因線上GENEONLINE 

作者

GeneOnline 基因線上

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