生物通报道：由弗吉尼亚联邦大学Jason Reed博士领导的一个科学小组研发出了一种新技术，未来也许可以用于新的遗传突变诊断和治疗。这种新技术将高速原子力显微镜（AFM）和基于CRISPR的化学条形码技术结合起来绘制DNA，能达到与DNA测序一样的精确度，而且处理基因组大片段的速度更快。更重要的是，这种技术可以通过谱图的DVD播放器部件供电。

这一研究成果公布在Nature Communications杂志上。

人类基因组由数十亿个DNA碱基对组成，如果将其解开，大约有将近六英尺长。当细胞分裂时，重要的一步就是将其DNA拷贝给新细胞。然而，有时DNA的各个部分被错误地复制，或在错误的位置粘贴在一起，导致产生包括癌症在内的疾病基因突变。DNA测序过程非常精确，可以分析DNA的单个碱基对，但如果要分析基因组中的大片段，从而发现基因突变的话，研究人员就必须确定数以百万计的微小序列，然后用计算机软件将它们拼凑在一起。另一方面，诸如荧光原位杂交（FISH）之类的生物医学成像技术只能以几十万碱基对的分辨率来分析DNA。

Reed博士想到了一个好办法，他设计了一种告诉AFM技术，可以数十个碱基对的分辨率绘制DNA，但以高达一百万个碱基对的分辨率来创建图像。这种方法采用的是DNA测序所需的一小部分标本来完成。

“DNA测序是一个强大的工具，但它仍然相当昂贵，并有一些技术和功能的局限性，使得这一技术难以有效和准确地绘制大面积的基因组”，Reed博士说，“我们的这个方法弥补了DNA测序和其他缺乏分辨率的物理制图技术之间的差距，它可以作为一个独立的方法使用，也可以在测序过程中，将分析期间分析的小片段基因拼接在一起，减少复杂性和错误”。

1989年，IBM的科学家开发出了原子力显微镜技术，这令他们站上了头条新闻。当时这些科学家利用这一技术在原子级别上重新排列分子，拼出了“IBM”的字样。其实原子力显微镜 (AFM) 是STM的后代产品，通过对非导电材料进行成像而开辟了显微镜的全新应用领域。然而，传统的原子力显微镜对于医学应用而言太慢，因此主要被材料科学工程师所使用。

“我们的这一装置与AFM的工作方式相同，但是我们将样品以更快的速度移动通过触针，并使用光学仪器来检测触针和分子之间的相互作用，我们可以达到与传统AFM相同的细节水平，但是处理材料的速度提高了一千倍以上”，Reed说，他的团队证明了这项技术可以通过使用DVD播放器中的光学设备拓宽用途。“高速AFM非常适用于某些医疗应用，因为它可以快速处理材料，并提供比同类成像方法高数百倍的分辨率。”

提高AFM的速度只是Reed等人需要克服的障碍之一。为了真正鉴定DNA中的基因突变，他们还必须开发出一种方法，在DNA分子表面放置标记或标记，识别模式和不规则性。一种巧妙的化学条码解决方案是CRISPR技术。

CRISPR最近在基因编辑方面占据了许多头条，Reed的团队改变了CRISPR的化学反应条件，使其只能粘附在DNA上，而没有切割片段。

Reed说：“由于CRISPR酶是一种物理上比DNA分子大的蛋白质，所以对于这种条形码应用来说是非常完美的。我们惊讶地发现利用这种方法绑定DNA分子的效率接近90％，而且由于很容易看到CRISPR蛋白，所以可以在DNA模式中发现基因突变。”

为了证明该技术的有效性，研究人员绘制了淋巴瘤患者淋巴结活检中存在的遗传易位。当DNA的一部分被复制并粘贴到基因组中的错误位置时，就会发生易位，这在血液癌症如淋巴瘤中特别普遍。

（生物通：万纹）

原文标题：

DNA nanomapping using CRISPR-Cas9 as a programmable nanoparticle