DNA測(cè)序進(jìn)入太空時(shí)代

張迪

首次太空DNA測(cè)序與地球上的結(jié)果“完美匹配”

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）官網(wǎng)宣布，NASA宇航員凱特·魯賓斯在國(guó)際空間站內(nèi)成功完成微重力條件下的DNA測(cè)序，這標(biāo)志著人類已迎來(lái)“能對(duì)太空活體生物進(jìn)行基因測(cè)序”的全新時(shí)代。

剛完成測(cè)序任務(wù)的魯賓斯表示，她與地面同事一起見證了基因和系統(tǒng)生物學(xué)研究來(lái)到了太空。“我們現(xiàn)在開啟了一個(gè)全新的科學(xué)領(lǐng)域—太空基因組和系統(tǒng)生物學(xué)?！?/p>

這次太空測(cè)序是“生物分子測(cè)序研究項(xiàng)目”的一部分。測(cè)序使用的是英國(guó)牛津納米孔公司提供的MinION測(cè)序儀，只有手掌大小，既方便又快捷。測(cè)序原理是通過(guò)納米孔施加電流，同時(shí)讓含有檢測(cè)樣本的液體流經(jīng)檢測(cè)儀，不同的DNA分子會(huì)引起不一樣的電流變化，通過(guò)電流變化就能識(shí)別出這種基因序列的生物。

納米孔測(cè)序儀將掀起新一輪測(cè)序革命

早在2012年的時(shí)候，一家名為Oxford Nanopore的英國(guó)公司就發(fā)布了一款口袋大小的DNA測(cè)序器。當(dāng)時(shí)人們都難以置信，因?yàn)橥ǔ＿@種產(chǎn)品都會(huì)有冰箱那么大。在解決了一些BUG和技術(shù)問(wèn)題后，這家公司把它命名為MinION，并進(jìn)行了一系列的測(cè)試。

MinION的尺寸小到只有一支筆的長(zhǎng)度，重大約100克。MinION完全顛覆了測(cè)序儀的形象。它可以直接通過(guò)USB口連接到筆記本上，原始的電流信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳到英國(guó)的服務(wù)器上，進(jìn)行Basecalling。

納米孔測(cè)序沒(méi)有測(cè)序長(zhǎng)度的說(shuō)法，因?yàn)樗耆嵏擦藴y(cè)序讀長(zhǎng)的定義。事實(shí)上，它總是能夠完整地把一條DNA鏈從頭測(cè)到尾，因此它的測(cè)序讀長(zhǎng)就是DNA的長(zhǎng)度。極端的情況是，一整條染色體都可以從頭到尾測(cè)完，但是一般樣本制備時(shí)DNA會(huì)斷開。根據(jù)UCSC報(bào)道的用戶使用的結(jié)果表面，一般讀出的reads平均為1kb-5kb，這個(gè)讀長(zhǎng)完全是因?yàn)闃颖敬驍嗟搅诉@個(gè)尺寸。最長(zhǎng)的reads可長(zhǎng)達(dá)120kb。一個(gè)MinION有500個(gè)納米孔在并行測(cè)序，每個(gè)孔每秒測(cè)30bp，因此，要測(cè)到1G的數(shù)據(jù)，需要3天時(shí)間。

納米孔技術(shù)產(chǎn)品的出現(xiàn)意味著第四代測(cè)序技術(shù)的誕生。但納米孔測(cè)序要想真正給基因組學(xué)研究和臨床應(yīng)用帶來(lái)重要的變化，還有非常長(zhǎng)的路要走。也許10年之后，我們能看到一個(gè)成熟的、快速的、準(zhǔn)確的第四代測(cè)序。

人類開啟太空活體生物基因測(cè)序全新時(shí)代

項(xiàng)目組將事先準(zhǔn)備好的老鼠、病毒和細(xì)菌的DNA樣本帶到空間站，由魯賓斯在太空進(jìn)行檢測(cè)，而地面團(tuán)隊(duì)成員同步對(duì)類似樣本進(jìn)行測(cè)序。比較后發(fā)現(xiàn)，太空和地球上的兩種測(cè)序結(jié)果能完美匹配。

項(xiàng)目主管、NASA微生物學(xué)家薩拉·卡斯特羅·華萊士說(shuō)：“下一步我們將把整個(gè)測(cè)序過(guò)程搬到太空，不再帶樣本到太空，而是直接在太空準(zhǔn)備樣本，然后進(jìn)行基因測(cè)序。宇航員將不僅能對(duì)已知的生物測(cè)序，還能在太空完成取樣、準(zhǔn)備樣本和測(cè)序整個(gè)過(guò)程，最終識(shí)別出未知的外星生命?！?/p>

有了在太空中測(cè)序DNA的方法，就能識(shí)別出國(guó)際空間站內(nèi)的微生物是否威脅宇航員的健康，幫助地面科學(xué)家隨時(shí)了解宇航員們的生活環(huán)境，及時(shí)告知他們是否要做清潔或服用抗生素。太空DNA測(cè)序儀對(duì)未來(lái)造訪火星等需要長(zhǎng)時(shí)間待在空間站的宇航員來(lái)說(shuō)，是保護(hù)他們健康的重要工具。

另外，測(cè)序儀還會(huì)成為空間站其他科研的重要工具，比如直接檢測(cè)繞軌飛行中遺傳物質(zhì)或基因表達(dá)的變異，而不用再像以前一樣等幾個(gè)月返回地球后才知道結(jié)果。

MinION測(cè)序儀有望在極端環(huán)境中檢查人類疾病

MinION測(cè)序儀登上太空，科學(xué)家們不是為了證明基因測(cè)序的飛速發(fā)展，而是想利用其來(lái)幫助人類在極端環(huán)境中診斷疾病。

對(duì)于該試驗(yàn)，宇航員Rubins有自己的一些期望，她說(shuō)：“目前，我們不能實(shí)時(shí)分析太空中發(fā)生在人類以及細(xì)胞中的事情。我們的空間站擁有一個(gè)具有15年歷史的干凈水源，但是這些水源是否存在微生物還無(wú)人知曉，也許DNA測(cè)序儀可以幫助我們解答這個(gè)問(wèn)題?！?/p>

目前，MinION測(cè)序儀在太空中與其他的診斷儀器相連，例如PCR儀。如果MinION能把太空中的微生物都“鑒定”出來(lái)，那么它將有望幫助空間站中的宇航員診斷疾病，以了解致病微生物是否對(duì)抗生素敏感，這樣一來(lái)可以節(jié)省太空中寶貴的藥物。

在太空中完成DNA測(cè)序，同樣為偏遠(yuǎn)地區(qū)或地球上貧困地區(qū)的DNA測(cè)序鋪平道路。Rubins說(shuō)：“這類裝置可在疫情爆發(fā)時(shí)，或在沒(méi)有足夠的設(shè)備資源的診所中進(jìn)行一定類型的疾病診斷?！?/p>

（本文轉(zhuǎn)自中國(guó)科技網(wǎng)）