研究单个DNA分子的行为有助于我们更好地理解遗传疾病并设计更好的药物。然而，到目前为止，逐一检测DNA分子是一个缓慢的过程。来自代尔夫特理工大学和莱顿大学的生物物理学家开发了一种技术，可以将单个DNA分子的筛选速度提高至少1000倍。有了这项技术，他们可以在一周内测量数百万个DNA分子，而不是几年甚至几十年。这项研究发表在《科学》杂志上。

莱顿大学教授约翰·范·诺特解释说:“DNA、RNA和蛋白质是调节我们身体细胞所有过程的关键角色。”“为了理解这些分子的(错误)功能，有必要揭示它们的3D结构如何依赖于它们的序列，为此有必要一次测量一个分子。”然而，单分子测量既费力又缓慢，而且可能的序列变化数量巨大。”

序列:DNA是由数以百万计的构建块串在一起形成一定的顺序或序列。

从几十年到几天

现在，科学家团队开发了一种名为SPARXS(单分子平行分析快速探索序列空间)的创新工具，可以同时研究数百万个DNA分子。“传统技术允许一次探测一个序列，每个序列通常需要数小时的测量时间。有了SPARXS，我们可以在一天到一周内测量数百万个分子。如果没有SPARXS，这样的测量将需要几年到几十年的时间，”代尔夫特大学教授Chirlmin Joo说。

“SPARXS使我们能够研究大型序列库，为DNA的结构和功能如何依赖于序列提供新的见解。此外，该技术可用于快速找到从纳米技术到个性化医疗等应用的最佳序列，”博士候选人Carolien Bastiaanssen补充道。

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以前从未合并过

为了创造新的SPARXS技术，研究人员结合了两种以前从未配对过的现有技术:单分子荧光和下一代Illumina测序。在第一种技术中，分子用荧光染料标记，并用灵敏的显微镜观察。后一种技术可以同时读取数百万个DNA密码。Joo:“我们花了一年的时间来确定这两种技术是否可行，又花了四年时间来开发一种工作方法，又花了两年时间来确保测量的准确性和一致性，同时管理产生的大量数据。”

“当我们需要解释数据时，真正有趣的部分开始了，”第一作者伊沃·塞维林(Ivo Severins)说。“由于这些将单分子测量与测序相结合的实验是全新的，我们不知道我们会得到什么结果。”这需要在数据中进行大量搜索，以找到相关性和模式，并确定我们所看到的模式背后的机制。”

克服数据处理挑战

他们必须克服的另一个挑战是处理大量数据，Van Noort补充道:“我们必须开发一个自动化的、强大的分析管道。这尤其具有挑战性，因为单分子是脆弱的，只能产生少量的光，这使得数据本身就很嘈杂。此外，所得到的数据并不能直接提供有关序列如何影响DNA结构和动力学的见解，即使对于我们研究的相对简单的DNA结构也是如此。为了真正测试我们的理解，我们建立了一个模型，结合我们对DNA结构的了解，并将其与实验数据进行比较。”

医学的进步

对DNA序列更精确的操作和理解可能会导致医学治疗的进步，比如更有效的基因治疗和个性化医疗。研究人员还预见到生物技术的创新，以及在分子水平上更好地理解生物学。Joo:“我们预计在未来5到10年内，在基因研究、药物开发和生物技术方面的应用将开始出现。”

本文是与代尔夫特理工大学合作撰写的。