目前，基因組物理圖譜測(cè)繪的常用技術(shù)有DNA測(cè)序和熒光原位雜交（FISH）等。DNA測(cè)序雖然可以精確分析單個(gè)堿基，但是仍存在讀長(zhǎng)短，無法精確分析***段基因組等不足，難以有效、準(zhǔn)確地繪制大面積基因組圖譜。與之相反，諸如熒光原位雜交（FISH）的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)雖然能夠分析***段基因組，但是分辨率較低，無法進(jìn)行精確分析。許多科學(xué)家也在為彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足而努力。

       近日，由VCU梅西癌癥中心癌癥分子遺傳學(xué)研究計(jì)劃成員、弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)物理學(xué)家Jason Reed博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)了一項(xiàng)新的成像技術(shù)——高速原子力顯微鏡（HS-AFM）納米成像技術(shù)。研究人員通過將HS-AFM和基于CRISPR的化學(xué)條形碼技術(shù)結(jié)合，HS-AFM納米成像技術(shù)幾乎能夠與DNA測(cè)序一樣準(zhǔn)確地繪制DNA單分子物理圖譜，同時(shí)能以更快的速度處理***段基因組。此外，這種成像技術(shù)可由普通的DVD光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)。相關(guān)研究成果發(fā)表于***學(xué)術(shù)期刊Nature Communications，題為“DNA nanomapping using CRISPR/Cas9 as a programmable nanoparticle”。

       圖：HS-AFM檢測(cè)Cas9標(biāo)記DNA的工作流程

       據(jù)了解，這種新型成像技術(shù)在達(dá)到幾十個(gè)堿基分辨率的同時(shí)，可以分析***段基因組生成圖像。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用該技術(shù)成功繪制了DNA單分子物理圖譜。Reed博士表示，新的納米成像技術(shù)彌補(bǔ)了現(xiàn)有DNA測(cè)序和其他物理制圖技術(shù)的不足，并將改變致病基因突變的診斷和發(fā)現(xiàn)方式。

       說到這兒，可能有些同學(xué)還不甚了解什么是原子力顯微鏡？

       其實(shí)，這項(xiàng)技術(shù)還是誕生于上個(gè)世紀(jì)。1989年，IBM科學(xué)家成功研發(fā)了原子力顯微鏡（AFM）技術(shù)。AFM是利用微針與分子之間的相互作用對(duì)樣品進(jìn)行掃描，這種微型觸針（類似于唱片播放器上的針）幾乎不接觸被研究材料的表面。但由于傳統(tǒng)AFM對(duì)于醫(yī)學(xué)應(yīng)用來說太慢，所以主要由材料學(xué)工程師使用。

       圖：用作傳感器的DVD播放器部件檢測(cè)Cas9標(biāo)簽

       而HS-AFM納米成像技術(shù)同樣使樣品快速通過觸針，不僅可以達(dá)到與傳統(tǒng)AFM相同的細(xì)節(jié)級(jí)水平，并將處理材料的速度提高1000多倍。研究團(tuán)隊(duì)還證明這項(xiàng)技術(shù)可以使用DVD光學(xué)設(shè)備生成DNA物理圖譜。

       圖：HS-AFM可準(zhǔn)確定位DNA上的sgRNA-Cas9復(fù)合物

       此外，Reed博士和同事還開發(fā)一種巧妙的CRISPR 化學(xué)條形碼技術(shù)，通過改變CRISPR酶的化學(xué)反應(yīng)條件，使其僅作為標(biāo)記粘附在DNA分子表面，而不進(jìn)行實(shí)際切割。研究人員繪制了淋巴瘤活檢中的基因易位圖譜，并使用幾種針對(duì)BRCA1、HER2和TERT基因序列的特異性sgRNA來證明CRISPR酶標(biāo)記的有效性和精確性。研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，通過這種方法，CRISPR酶對(duì)DNA分子的鍵合率接近90%，并能夠精準(zhǔn)識(shí)別DNA中的突變基因。

       Reed博士表示，HS-AFM納米成像技術(shù)有很多潛在的用途，尤其是醫(yī)療方面的應(yīng)用。的研究團(tuán)隊(duì)目前正在開發(fā)基于現(xiàn)有算法的一款軟件，希望能夠在成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析DN***段中多達(dá)一百萬個(gè)堿基。