記者昨天從第十一屆設計與製造前沿國際會議上了解到，東南大學在第三代人類基因測序關鍵技術研製上取得重大進展，研究人員造出了只有頭髮絲1/30000左右粗細的小孔，讓DNA中的鹼基挨個通過小孔，通過給鹼基「量個頭」的方法來測定序列。這種新方法將原本要6個月的測序時間縮短到了24小時，費用也從500萬美元降到了1000美元以下。利用這種技術，將來人們測基因序列，可能就像做血常規檢查那麼簡單。
鹼基
構成基因的「字母」，總是兩兩配對
在形成穩定螺旋結構的鹼基對中共有4種不同鹼基。根據它們英文名稱的首字母分別稱之為A(腺嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、C(胞嘧啶)、G(鳥嘌呤)。每種鹼基分別與另一種鹼基的化學性質完全互補，通俗來說，就是A總與T配對，G總與C配對。這四種化學「字母」沿DNA骨架排列。「字母」(鹼基)的一種獨特順序就構成一個「詞」(基因)。
在DNA雙螺旋結構中，鹼基對就像「拉鏈齒」
人類基因組共有23對染色體，其中22對為常染色體，還有一對性染色體X染色體或Y染色體，含有約30億個鹼基，組成大約20000到25000個基因。如果將DNA穩定的雙螺旋結構看成拉鏈的話，四種鹼基兩兩配對，每一對鹼基就是拉鏈骨架上互相咬合的齒。它們的獨特順序就構成一個基因。
讓鹼基挨個通過「小孔」驗明正身
東南大學機械工程學院陳雲飛副院長介紹，基因實際上是DNA的一個片段，而基因的遺傳信息其實就存貯在鹼基的序列中。30億個鹼基排列略有變化，就有了人高矮胖瘦等分別。要完成全序列的基因測定，是個浩大的工程。第一代測序法用的是化學方法，要把長的基因打成很多段，然後進行螢光測定，第二代集成度高了，所以時間縮短很多，第三代測序的目標是更短的時間、更廉價的費用。為此，依託東南大學的江蘇省微納生物醫療器械設計與製造重點實驗室從2006年就開始了相關的研究。
「每個鹼基的長度約為0.34納米，30億個鹼基長度也就是1.03米。」陳雲飛副院長介紹，他們的物理測序方法，就是讓這個總長度只有1米多實際上卻浩浩蕩蕩的鹼基隊伍挨個通過一個納米孔，然後給每個鹼基「量個頭」。這個原理是什麼呢？「4種鹼基有的大小是不一樣的。我們造出一個孔，讓鹼基挨個走過去，鹼基個頭不一樣，引發的電流大小也就不一樣。」通過納米孔傳感器繪製電流變化，就能自動分辨出鹼基的排列順序了。
「鹼基」被電極吸引，就像線穿過針眼
陳雲飛副院長口中的這個孔，相當有技術含量。他們這個孔做到直徑2納米，在全世界都是領先水平。2納米是個什麼概念，陳雲飛舉了個例子，我們的一根頭髮絲是7萬納米，1納米相當於頭髮絲直徑的1/70000。東大研究人員選用的兩種材料是石墨烯與氮化硼，這兩種材料本身都是單層片狀結構，只有零點幾納米厚，強度卻是鋼的1000倍。
有了小孔，鹼基卻不會主動「鑽」小孔，那就得給鹼基加點「動力」。「我們將溶液用特殊的薄膜隔開，薄膜上集成的是納米孔的陣列，在溶液的一邊加正電極，一邊加負電極，因為DNA本身帶有負電，電極一起作用，DNA就會主動往正極方向跑。」陳雲飛說，只要DNA的「頭」通過小孔了，原本「蜷縮」成一團的DNA就被「拉直」，DNA上的鹼基也就能挨個「量個頭」了，就像線被穿過針眼一樣。東大從想法形成到做出這個原理樣機，大約用了14年。
基因測序有多難？
要測30億個鹼基，第一代測定法花了12年
2003年人類基因組計劃完成人體全序列的基因測定，歷時長達12年，耗資達30億美元。近兩年第二代測序儀讓人類基因組測序的時間縮短到了2-4周，價格也降到了500萬美金，但這樣的價格和時間，極大地限制了其臨床應用和基礎理論研究。於是，在2004年美國國家人類基因組研究所啟動了「千元基因組測序研究項目」，目的是讓人類基因組的測序的費用降到1000美元以下。
新測序法帶來啥改變？
基因檢查更快更便宜，可以「私人定製」藥品
如今新技術能在24小時內完成對個體的基因測序，有了基因圖譜，未來用藥治病將可能迎來本質的改變。「比如說，我們確定某種基因和某種疾病的關係，而患者本身就有這種基因，我們就能根據患者的基因圖譜來製作針對這個患者的藥品，個性化藥物時代將到來。」除了藥品的「私人定製」外，疾病的預防也成了可能。「我們知道患者本身有某種疾病的基因缺陷的話，修復基因也有了可能。」（通訊員 許啟彬 揚子晚報記者 楊彥）