研究单个DNA分子的行为对于增强我们对遗传疾病的理解和开发改进药物至关重要。历史上，逐一分析DNA分子是一个繁琐的过程。然而，来自代尔夫特理工大学和莱顿大学的生物物理学家创造了一种方法，使对单个DNA分子的筛选速度提高了至少一千倍。通过这项新技术，研究人员现在可以在一周内分析数百万个DNA分子，而之前可能需要数年甚至数十年。他们的研究结果已详细发表在Science期刊上。
研究单个DNA分子的行为对于理解遗传疾病和创造更好的药物至关重要。直到最近，这些分子的单独检查是一个耗时的过程。来自代尔夫特理工大学和莱顿大学的生物物理学家团队开发了一种方法，可以将对单个DNA分子的筛选提升超过一千倍。这一创新使研究人员能够在一周内评估数百万个DNA分子，而之前需要数年到数十年的时间。研究结果现已发表在Science期刊上。
“DNA、RNA和蛋白质在调节我们体细胞内的各种过程上起着至关重要的作用，”莱顿大学的约翰·范·诺特教授解释道。“为了理解这些分子的正常与异常功能，我们必须研究它们的3D结构如何受到其序列的影响，这需要逐个分子进行测量。然而，单分子测量可能会很慢且劳动密集，尤其是面对海量可能的序列变体时。”
从几十年到几天
研究团队创造了一种名为SPARXS（单分子并行分析快速探索序列空间）的创新工具。这项技术能够同时研究数百万个DNA分子。“传统方法一次分析一个序列，通常需要数小时的测量时间。使用SPARXS，我们可以在一天到一周内分析数百万个分子。没有SPARXS，这种分析将需要数年到几十年，”代尔夫特大学教授丘尔敏·朱说。
“SPARXS使我们能够审查广泛的序列库，提供关于DNA的结构和功能如何受到序列影响的新见解。此外，这项技术可以迅速识别适用于不同应用的最佳序列，从纳米技术到个性化医学，”博士候选人卡罗琳·巴斯蒂安森补充道。
前所未有的结合
为了开发SPARXS方法，研究人员结合了两种从未一起使用过的现有技术：单分子荧光与下一代Illumina测序。第一种方法涉及用荧光染料标记分子，并用敏感显微镜观察它们，而后者可以同时读取数百万个DNA序列。朱解释道：“我们花了一年时间评估这两种技术的结合是否可行，随后又花了四年时间建立一个功能性的方法，另外两年则确保在处理大量产生的数据时测量的准确性和一致性。”
“当我们需要解释这些数据时，真正的兴奋和好奇才开始，”第一作者伊沃·塞弗林斯表示。“由于这些实验整合了单分子测量和测序，是完全新颖的，我们不知道会遇到什么结果。筛选数据以发现相关性和模式，以及理解我们观察到的基本机制，需付出艰巨的努力。”
克服数据处理挑战
团队面临的另一个障碍是管理产生的大量数据，范·诺特指出：“我们需要建立一个自动化和可靠的分析流程。这个任务特别困难，因为单分子很脆弱，仅产生少量光，导致数据天生嘈杂。此外，即使是我们正在检查的相对简单的结构，所获得的数据也不直接显示序列如何影响DNA的结构和动态。为了验证我们的理解，我们开发了一个模型，将我们的DNA结构知识纳入其中，并将其与实验数据进行了比较。”
医疗进展
对DNA序列进行更加精细的操控和理解可能会在医疗治疗上带来突破，包括改善基因治疗和个性化医学。研究人员还预计生物技术创新和对分子层面生物过程的更深入理解。朱总结道：“我们预计基因研究、药物开发和生物技术的应用将在未来五到十年内开始显现。”
