?子科生物報(bào)道：單分子技術(shù)是研究復(fù)雜動(dòng)力學(xué)的強(qiáng)大工具，但通常每次只能分析幾個(gè)樣本。若要全面了解生物過程，往往需要研究大量的序列。如今，兩組研究人員將單分子熒光顯微鏡與新一代測(cè)序技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)?shù)千個(gè)樣本中數(shù)百萬個(gè)分子的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行觀察。

Severins等人開發(fā)出一種名為SPARXS的方法，并利用它來分析同源重組中一種關(guān)鍵的DNA結(jié)構(gòu)，揭示了序列依賴性動(dòng)力學(xué)。Rivera等人則利用一種名為MUSCLE的方法來研究Cas9與目標(biāo)DNA之間的相互作用。

這兩項(xiàng)研究成果于8月22日發(fā)表在《Science》雜志上。

SPARXS技術(shù)

SPARXS技術(shù)是由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和萊頓大學(xué)的研究人員開發(fā)的，能夠同時(shí)研究數(shù)百萬個(gè)DNA分子。

代爾夫特理工大學(xué)教授Chirlmin Joo表示：“傳統(tǒng)技術(shù)每次只能測(cè)定一條序列，通常每條序列需要數(shù)小時(shí)的測(cè)量時(shí)間。有了SPARXS，我們可以在一周內(nèi)測(cè)定數(shù)百萬個(gè)分子。如果沒有SPARXS，這樣的工作可能需要幾年到幾十年。”

萊頓大學(xué)John van Noort教授解釋說：“DNA、RNA和蛋白質(zhì)是調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)所有過程的關(guān)鍵因素。若要了解這些分子的（錯(cuò)誤）功能，就必須揭示序列如何影響其三維結(jié)構(gòu)。然而，單分子測(cè)定既費(fèi)力又緩慢，而且序列變異的數(shù)量還很大?！?/p>

為了開發(fā)新的SPARXS技術(shù)，研究人員將兩種現(xiàn)有的技術(shù)相結(jié)合：單分子熒光技術(shù)和新一代Illumina測(cè)序技術(shù)。在前一種技術(shù)中，分子被熒光染料標(biāo)記，并通過靈敏的顯微鏡進(jìn)行觀察。后一種技術(shù)則能同時(shí)讀取數(shù)百萬條DNA序列。

“我們花了一年的時(shí)間來確定這兩種技術(shù)的結(jié)合是否可行，又花了四年的時(shí)間來開發(fā)具體方法，還花了兩年的時(shí)間來確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性和一致性，同時(shí)管理所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，”Joo談道。

研究人員利用SPARXS技術(shù)研究了同源重組中關(guān)鍵中間體（Holliday junction）的序列依賴性動(dòng)力學(xué)。通過研究數(shù)百萬個(gè)Holliday junction的動(dòng)力學(xué)，他們證明了SPARXS技術(shù)在發(fā)現(xiàn)序列模式、評(píng)估序列基序和構(gòu)建熱力學(xué)模型上的能力。

處理大量數(shù)據(jù)是他們需要克服的一大挑戰(zhàn)。“我們必須開發(fā)一個(gè)強(qiáng)大的自動(dòng)化分析流程。這尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閱蝹€(gè)分子很脆弱，只能產(chǎn)生極少量的光，這使得數(shù)據(jù)本身充滿噪音，” Van Noort談道。

“此外，即使是相對(duì)簡單的DNA結(jié)構(gòu)，所得到的數(shù)據(jù)也不能直接幫助我們了解序列如何影響DNA的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)。為了真正檢驗(yàn)我們的理解，我們建立了一個(gè)模型，其中融入了我們對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的了解，并將其與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較?！?/p>

對(duì)DNA序列的深入了解和精準(zhǔn)操作有望帶來醫(yī)學(xué)治療的進(jìn)步，比如更有效的基因療法和個(gè)性化醫(yī)療。“我們預(yù)計(jì)，在未來五到十年內(nèi)，遺傳研究、藥物開發(fā)和生物技術(shù)方面的應(yīng)用將開始出現(xiàn)，” Joo談道。

MUSCLE技術(shù)

烏普薩拉大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出MUSCLE技術(shù)，這是一種將單分子熒光顯微鏡與新一代測(cè)序相結(jié)合的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜動(dòng)力學(xué)的多重觀察。

研究人員分析了DNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)的序列依賴性，以及Cas9誘導(dǎo)的目標(biāo)DNA解旋和重旋動(dòng)力學(xué)。他們表示，探索Cas9序列空間的能力讓他們鑒定出許多有著意想不到行為的目標(biāo)序列。這種技術(shù)有望幫助他們探索許多基本生物過程的分子機(jī)制。