CN100445397C - 电磁力控制单链核酸穿孔速度的方法与装置 - Google Patents

电磁力控制单链核酸穿孔速度的方法与装置 Download PDF

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Abstract

一种生物工程技术领域的电磁力控制单链核酸穿孔速度的方法与装置，方法步骤为：①将一个单链靶DNA或RNA与一个磁珠连接复合物在两极被纳米孔隔开的电泳槽负极用电磁铁固定；②打开电源，给带负电荷靶分子自由端向正极一个拉力，再通过微调电磁力，释放磁珠，但电磁铁对磁珠仍有吸引力，如此使靶分子缓慢向正极移动，将穿越纳米孔的速度控制在每毫秒0.5-1个碱基，膜片钳记载信号，计算机将电信号转换为序列信息。装置包括：电泳槽、纳米元件、可调电磁铁、膜片钳和计算机，电泳槽两极由纳米元件隔开，电泳槽两极连接膜片钳，电泳槽负极的外壁连接电磁铁，膜片钳连接计算机，膜片钳记载靶分子穿越纳米孔时的电信号，计算机将电信号转换为序列信息。

Description

电磁力控制单链核酸穿孔速度的方法与装置
技术领域
本发明涉及的是一种生物工程技术领域的方法，具体是一种电磁力控制单链核酸穿孔速度的方法与装置。
背景技术
随着后基因组时代的到来，对基因组测序的需求日益剧增，但目前的测序方法速度慢、费用高、有缺口。实际上，在人类基因组计划启动之前，就有人开始了DNA测序新方法的探讨，特别是2004年美国的The National Institutes ofHealth启动$1000Genome(即在未来的10年左右，将哺乳动物测序的费用降低到$1000左右，速度提高3-4个数量级，错误率在万分之一以内，基本无缺口)以来，又有许多新的测序思路不断涌现，其中，用膜片钳检测单链DNA(简称单链DNA)分子穿越纳米孔时留下的电信号差异而实现测序，具有很大的潜力，但目前在有效的电压下，核酸穿越纳米孔的速度太快，远远超出了膜片钳可识别的限度(1个事件/ms)，所以降低单链DNA和RNA的穿孔速度，已成为纳米孔测序的关键因素。
经对现有技术文献检索发现，Fologea，D等人2005年在《Nano Letters》第5期第1734-1737页发表文章“Slowing DNA translocation in a solid-statenanopore”(《纳级通讯》，“减缓DNA在固体纳米孔中的穿越”)，该文中给出了他们的研究结果，主要通过向缓冲液添加甘油、降低电压等手段，虽然已将单链DNA的穿孔速度降至3nt/μs，但仍超出了仪器分辨率3个数量级。所以，目前纳米孔单分子测序仍处于攻坚阶段，还不能用于实际测序。
发明内容
本发明针对现有以纳米孔为基础的核酸测序技术的不足和缺陷，提供一种电磁力控制单链核酸穿孔速度的方法与装置，使其能将单链DNA穿孔速度控制在每毫秒0.5-1个碱基，膜片钳记载电信号，计算机将电信号转换为序列信息，能符合实际测序的需要。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述的电磁力控制单链核酸穿孔速度的方法，包括如下步骤：
①将一个单链靶DNA或RNA(简称靶分子)与一个磁珠连接的复合物在电泳槽负极用电磁铁固定，电磁力在50-1000pN；所述的电泳槽，其正负两极被纳米孔隔开。
②打开电源，给带负电荷靶分子自由端向正极一个拉力(540-1000pN)，由于靶分子与磁珠连接的一端被电磁铁固定，这样的结果是靶分子被拉直，再通过微调使电磁力减弱，释放磁珠，但电磁铁对磁珠仍有吸引力，如此使靶分子缓慢向正极移动，将穿越纳米孔的速度控制在每毫秒0.5-1个碱基，膜片钳记载电信号，计算机将电信号转换为序列信息。
所述的单链靶DNA或RNA与一个磁珠连接复合物，具体制作步骤为：将磁珠与生物素标记的单链DNA(称为连接物)混合，使每一个磁珠只连接一个单链DNA分子或没有单链DNA分子，用单链DNA荧光染料处理磁珠、单链DNA和磁珠混合液，荧光显微镜辅助确认，挑选单个磁珠和1个连接物复合物。该复合物在DNA连接酶作用下，与单链靶DNA或RNA连接，也可以将连接物的3’自由端设计为多聚T，通过碱基配对的方式捕获mRNA，获得靶DNA或RNA与一个磁珠连接的复合物。
本发明还提供一种电磁力控制单链核酸穿孔速度的装置，该装置包括：电泳槽、纳米元件、可调电磁铁、膜片钳和计算机，电泳槽两极由纳米元件隔开，使两极间的离子交换只能通过纳米元件的纳米孔进行，纳米孔作为DNA或RNA分子穿越纳米孔时各碱基对离子流产生的阻力的传感器；电泳槽两极连接膜片钳，通过纳米孔传感器检测并记载各碱基对离子流阻力的大小；电泳槽负极的外壁连接电磁力在50-1000pN可调的电磁铁，用于固定和释放连接靶分子，并在靶分子向正极移动时，给靶分子一个反方向引力，以控制其移动速度；靶分子穿越纳米孔时，膜片钳记载电信号；膜片钳连接计算机，计算机将电信号转换为序列信息。
本发明提供的是一种在用纳米孔进行核酸单分子测序系统中控制靶分子穿越纳米孔速度的方法和装置，通过强度可调的电磁铁捕捉和缓慢释放磁珠，将靶分子的穿孔速度控制在0.5-1个碱基/毫秒，克服了以往核酸穿孔速度过快致使膜片钳无法识别碱基穿孔电信号的缺点。
附图说明
图1为本发明装置实施例结构示意图
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，为本发明装置实施例结构示意图，包括：电泳槽1、纳米元件2、可调电磁铁3、膜片钳4和计算机5，电泳槽1两极由纳米元件2隔开，使两极间的离子交换只能通过纳米元件2的纳米孔进行，纳米孔作为DNA或RNA分子穿越纳米孔时各碱基对离子流产生的阻力的传感器；电泳槽1两极连接膜片钳4，通过纳米孔传感器检测并记载各碱基对离子流阻力的大小；电泳槽1负极的外壁连接电磁力在50-1000pN可调电磁铁3，用于固定和释放连接靶分子，并在靶分子向正极移动时，给靶分子一个反方向引力，以控制其移动速度；靶分子穿越纳米孔时，膜片钳4记载电信号；膜片钳4连接计算机5，计算机5将电信号转换为序列信息。
所述的纳米元件2的纳米孔，为直径在1-2nm、孔深在约0.5nm的筒形孔，纳米孔的材质为硅片、石英玻璃、金刚石或云母等固体绝缘材料。
实施例1：BAC单链DNA的穿孔速度控制
①将一个单链靶DNA分子与一个磁珠连接的复合物在电泳槽负极用电磁铁固定；电泳槽两极被纳米孔隔开。
②打开电源，给带负电荷靶分子自由端向正极一个拉力(540pN)，由于靶分子与磁珠连接的一端被电磁铁固定(电磁力在50pN)，这样的结果是靶分子被拉直，再通过微调使电磁力减弱，释放磁珠，但电磁铁对磁珠仍有吸引力，如此使靶分子缓慢向正极移动，将穿越纳米孔的速度控制在每毫秒0.5个碱基，膜片钳记载信号，计算机将电信号转换为序列信息。
效果：通过将单链DNA一端连接磁珠，利用电磁力吸引磁珠控制DNA在外加电场牵引时的穿孔速度，可将穿孔速度控制在每毫秒0.5个碱基。
实施例2：mRNA的穿孔速度控制
①将一个单链靶RNA分子与一个磁珠连接的复合物在电泳槽负极用电磁铁固定；电泳槽两极被纳米孔隔开。
②打开电源，给带负电荷靶分子自由端向正极一个拉力(1000pN)，由于靶分子与磁珠连接的一端被电磁铁固定(电磁力在1000pN)，这样的结果是靶分子被拉直，再通过微调使电磁力减弱，释放磁珠，但电磁铁对磁珠仍有吸引力，如此使靶分子缓慢向正极移动，将穿越纳米孔的速度控制在每毫秒1个碱基，膜片钳记载信号，计算机将电信号转换为序列信息。
效果：通过将单链RNA一端连接磁珠，利用电磁力吸引磁珠控制RNA在外加电场牵引时的穿孔速度，可将穿孔速度控制在每毫秒1个碱基。
实施例3：粘粒单链DNA的穿孔速度控制
①将一个粘粒单链RNA分子与一个磁珠连接的复合物在电泳槽负极用电磁铁固定；电泳槽两极被纳米孔隔开。
②打开电源，给带负电荷靶分子自由端向正极一个拉力(500pN)，由于靶分子与磁珠连接的一端被电磁铁固定(电磁力在500pN)，这样的结果是靶分子被拉直，再通过微调使电磁力减弱，释放磁珠，但电磁铁对磁珠仍有吸引力，如此使靶分子缓慢向正极移动，将穿越纳米孔的速度控制在每毫秒1个碱基，膜片钳记载信号，计算机将电信号转换为序列信息。
效果：通过将粘粒单链DNA一端连接磁珠，利用电磁力吸引磁珠控制DNA在外加电场牵引时的穿孔速度，可将穿孔速度控制在每毫秒1个碱基。

Claims (9)

1、一种电磁力控制单链核酸穿孔速度的方法，其特征是，包括如下步骤：
①将一个单链靶DNA或RNA即靶分子，与一个磁珠连接的复合物在电泳槽负极用可调电磁铁固定，电泳槽的正负两极被纳米孔隔开；
②打开电源，给带负电荷靶分子自由端向正极一个拉力，由于靶分子与磁珠连接的一端被可调电磁铁固定，这样的结果是靶分子被拉直，再通过微调使电磁力减弱，释放磁珠，但电磁铁对磁珠仍有吸引力，如此使靶分子缓慢向正极移动，将穿越纳米孔的速度控制在每毫秒0.5-1个碱基，膜片钳记载电信号，计算机将电信号转换为序列信息。
2、根据权利要求1所述的电磁力控制单链核酸穿孔速度的方法，其特征是，所述的可调电磁铁，其电磁力在50-1000pN范围内可调。
3、根据权利要求1所述的电磁力控制单链核酸穿孔速度的方法，其特征是，所述的给带负电荷靶分子自由端向正极一个拉力，拉力范围为540-1000pN。
4、根据权利要求1所述的电磁力控制单链核酸穿孔速度的方法，其特征是，所述的单链靶DNA或RNA与一个磁珠连接复合物，具体制作步骤为：将磁珠与生物素标记的单链DNA即连接物混合，使每一个磁珠只连接一个单链DNA分子或没有单链DNA分子，用单链DNA荧光染料处理磁珠、单链DNA和磁珠混合液，荧光显微镜辅助确认，挑选单个磁珠和1个连接物复合物，该复合物在DNA连接酶作用下，与单链靶DNA或RNA连接，或将连接物的3’自由端设计为多聚T，通过碱基配对的方式捕获mRNA，获得靶DNA或RNA与一个磁珠连接的复合物。
5、一种电磁力控制单链核酸穿孔速度的装置，包括：电泳槽、纳米元件、可调电磁铁、膜片钳和计算机，其特征在于，电泳槽两极由纳米元件隔开，使两极间的离子交换只能通过纳米元件的纳米孔进行，电泳槽两极连接膜片钳，电泳槽负极的外壁连接电磁铁，膜片钳连接计算机，膜片钳记载靶分子穿越纳米孔时的电信号，计算机将电信号转换为序列信息。
6、根据权利要求5所述的装置，其特征是，所述的纳米元件的纳米孔，作为DNA或RNA分子穿越纳米孔时各碱基对离子流产生的阻力的传感器，检测并记载各碱基对离子流阳力的大小。
7、根据权利要求5或6所述的装置，其特征是，所述的纳米元件的纳米孔，为直径为1-2nm、孔深为0.5nm的筒形孔，纳米孔的材质为固体绝缘材料。
8、根据权利要求7所述的装置，其特征是，所述的可调电磁铁，用于固定和释放连接靶分子，并在靶分子向正极移动时，给靶分子一个反方向引力，以控制其移动速度。
9、根据权利要求8所述的装置，其特征是，所述的可调电磁铁，其电磁力为50-1000pN。
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