?子科生物報道：單分子技術是研究復雜動力學的強大工具，但通常每次只能分析幾個樣本。若要全面了解生物過程，往往需要研究大量的序列。如今，兩組研究人員將單分子熒光顯微鏡與新一代測序技術相結合，能夠對數(shù)千個樣本中數(shù)百萬個分子的動力學進行觀察。

Severins等人開發(fā)出一種名為SPARXS的方法，并利用它來分析同源重組中一種關鍵的DNA結構，揭示了序列依賴性動力學。Rivera等人則利用一種名為MUSCLE的方法來研究Cas9與目標DNA之間的相互作用。

這兩項研究成果于8月22日發(fā)表在《Science》雜志上。

SPARXS技術

SPARXS技術是由荷蘭代爾夫特理工大學和萊頓大學的研究人員開發(fā)的，能夠同時研究數(shù)百萬個DNA分子。

代爾夫特理工大學教授Chirlmin Joo表示：“傳統(tǒng)技術每次只能測定一條序列，通常每條序列需要數(shù)小時的測量時間。有了SPARXS，我們可以在一周內測定數(shù)百萬個分子。如果沒有SPARXS，這樣的工作可能需要幾年到幾十年?！?/p>

萊頓大學John van Noort教授解釋說：“DNA、RNA和蛋白質是調節(jié)細胞內所有過程的關鍵因素。若要了解這些分子的（錯誤）功能，就必須揭示序列如何影響其三維結構。然而，單分子測定既費力又緩慢，而且序列變異的數(shù)量還很大?！?/p>

為了開發(fā)新的SPARXS技術，研究人員將兩種現(xiàn)有的技術相結合：單分子熒光技術和新一代Illumina測序技術。在前一種技術中，分子被熒光染料標記，并通過靈敏的顯微鏡進行觀察。后一種技術則能同時讀取數(shù)百萬條DNA序列。

“我們花了一年的時間來確定這兩種技術的結合是否可行，又花了四年的時間來開發(fā)具體方法，還花了兩年的時間來確保檢測的準確性和一致性，同時管理所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，”Joo談道。

研究人員利用SPARXS技術研究了同源重組中關鍵中間體（Holliday junction）的序列依賴性動力學。通過研究數(shù)百萬個Holliday junction的動力學，他們證明了SPARXS技術在發(fā)現(xiàn)序列模式、評估序列基序和構建熱力學模型上的能力。

處理大量數(shù)據(jù)是他們需要克服的一大挑戰(zhàn)?！拔覀儽仨氶_發(fā)一個強大的自動化分析流程。這尤其具有挑戰(zhàn)性，因為單個分子很脆弱，只能產(chǎn)生極少量的光，這使得數(shù)據(jù)本身充滿噪音，” Van Noort談道。

“此外，即使是相對簡單的DNA結構，所得到的數(shù)據(jù)也不能直接幫助我們了解序列如何影響DNA的結構和動力學。為了真正檢驗我們的理解，我們建立了一個模型，其中融入了我們對DNA結構的了解，并將其與實驗數(shù)據(jù)進行了比較?！?/p>

對DNA序列的深入了解和精準操作有望帶來醫(yī)學治療的進步，比如更有效的基因療法和個性化醫(yī)療?！拔覀冾A計，在未來五到十年內，遺傳研究、藥物開發(fā)和生物技術方面的應用將開始出現(xiàn)，” Joo談道。

MUSCLE技術

烏普薩拉大學領導的研究團隊開發(fā)出MUSCLE技術，這是一種將單分子熒光顯微鏡與新一代測序相結合的方法，能夠實現(xiàn)復雜動力學的多重觀察。

研究人員分析了DNA發(fā)夾結構的序列依賴性，以及Cas9誘導的目標DNA解旋和重旋動力學。他們表示，探索Cas9序列空間的能力讓他們鑒定出許多有著意想不到行為的目標序列。這種技術有望幫助他們探索許多基本生物過程的分子機制。