纳米级笼允许DNA链的前后测序

电场通过较小的孔（底部）吸引DNA链，但是卷曲的DNA不能通过较大的孔（顶部）离开。经过实验程序后，反向电场将DNA链从下部孔中抽出，从而可以进行比较之前和之后。

布朗大学的研究人员设计了一个纳米级的笼子，可以捕获一条DNA链，并允许前后对同一DNA链进行测序。

罗德岛州普罗维登斯市（布朗大学）—尽管纳米孔的直径比人的头发小数万倍，但纳米孔可能是DNA测序中的下一个大问题。科学家希望通过将DNA分子拉过这些小孔，希望有一天能在眨眼间读出基因序列。

现在，来自布朗大学的研究人员已经将纳米孔技术的潜力进一步发展了。他们将一个纳米孔与一个很小的笼子结合在一起，该笼子能够将一条单链DNA拖入毛孔中，从而捕获并保持一条单链。笼中时，可以对链进行生化实验，然后可以将其拉回穿过纳米孔，以查看链的变化方式。

布朗物理与工程学副教授德里克·斯坦（Derek Stein）说：“我们认为这是一种非常有趣的使能技术。”他与研究生合作开发了该技术。“它使您第一次可以在可能发生的任何类型的化学反应之前和之后查看相同的分子。”

描述该设备的论文发表在《自然通讯》上。

该设备看起来有点像微型挖空的冰球。在一个平坦的侧面上是一个纳米孔，在另一个侧面上是一个稍大的孔。当浸入含有DNA的溶液中时，穿过纳米孔的电流会抓住一条单链并将其拉入中空室。到达那里后，股线自然会卷曲成缠结的球。该球太大而无法从另一侧的孔中穿出，但该孔可用于引入可能与捕获的DNA反应的其他分子。一旦发生反应，电流就会反向，而股线则通过孔送回，该孔可以寻找股线中的变化。

“我们制作的基本上是一个很小的试管，”刘Liu说。他是布朗大学的研究生，当时是他的工作负责人。“我们可以在非常狭窄的空间内对单链进行生化分析。”

刘说，这项技术的关键是将试管做得很小，但又不要太小。如果DNA太小，DNA将没有足够的空间卷曲，这将导致DNA从设备顶部的孔中喷出。通过一些理论计算和一些反复试验，研究人员将其安放在约1.5微米见方的笼子上。

然后，刘使用一种限制酶对这项技术进行了测试，该酶可以切割特定序列的DNA分子。将完整的DNA分子从孔中拉入笼子后，研究人员通过设备顶部的孔中施加了酶。如果一切按计划进行，酶应将链切成四段。当他们将分子拉回孔中时，他们检测到四个不同的信号，表明该实验已按预期进行。

研究人员说，该设备可用于各种DNA实验。例如，科学家使用称为杂交探针的分子来寻找DNA分子中的特定序列。探针与靶序列结合，在DNA链中产生一个凸起，纳米孔可以轻松检测到。

斯坦说：“始终存在在应用探针之前了解DNA外观的问题。”“这是一种确保您可以在对任何分子进行任何操作之前和之后进行测量的方法。纳米孔以前是不可能的，因为分子会漂移掉。”

最近获得博士学位的刘布朗的一位科学家目前在一家纳米孔初创公司工作，他计划在那里继续开发这项技术。

该研究得到了美国国家科学基金会（CBET0846505）和牛津纳米孔技术有限公司的支持。

出版物：Xu Liu等，“用于在纳米孔附近捕获DNA的熵笼”，Nature Communications 6，文章编号：6222; doi：10.1038 / ncomms7222

图像：斯坦实验室/布朗大学