基因测序的奇妙化学

在接下来的两年里，每一个离开英国生物银行的DNA片段都将被送往冰岛的deCODE公司或剑桥的威康桑格研究所。但是这两个地方都将使用Illumina测序公司的技术，以相同的方式对样本进行基因测序。如果你听了前几集，你就会知道他们的机器可以在40小时内完成一个完整的基因组。但是我们没有讲到一个关键的部分:化学，机器一次只能看一个字母。菲尔·桑索姆去拜访文斯·史密斯，他领导着他们的化学团队。

文斯-我们在一个叫做流动细胞的东西里对DNA进行测序，我手里拿着这个。就是几片玻璃粘在一起，中间有一层，两片玻璃之间有一个腔室。

这可能比看起来要复杂得多，对吧?

文斯-是的，是的，表面上看起来像一块相对较小的玻璃。它有轻微的彩虹色，光线通过它折射。

菲尔-是的，确实如此。

文斯:那是因为我们装载DNA分子的这些非常小的补丁，数十亿个非常小的圆柱形孔，它们只有几百纳米宽。

菲尔- DNA在哪里?

文斯:在一个DNA样本中，会有数十亿个来自病人的DNA片段，或者来自生物银行项目的某个人。我们所做的是将化学合成的DNA的短片段连接到这些DNA片段的两端。

菲尔:总是同样的两个序列吗?

文斯-总是同样的两个序列。我们称之为适配器dna。然后它们会特别地与流动细胞表面的互补DNA片段结合，这就是我们将DNA附着在表面的机制，这样就可以进行测序了。你们还记得DNA碱基对是相互结合的，我们利用这一特性将DNA特异地附着在流动细胞表面。

菲尔-然后呢?

文斯-那我们要做的就是在每口井里复制那一段DNA。每口井里都有大约1000个DNA片段。如果有一千个DNA片段就意味着你能得到更多的信号。

菲尔-你怎么让它们相乘?

文斯:所以我们用了一个特殊的技巧，这是一个叫做桥式放大的过程。第一个DNA片段做了一种叫做桥接的事情，它桥接，弯曲在表面形成这个桥，并与流动细胞表面的另一条互补的DNA链结合。然后再复制一份。这个过程不断重复，这些DNA分子继续沿着桥接过程在表面移动。每一步我们都会复制一个，很快你就会得到，你知道，这是一个指数过程，一个DNA分子有1000个左右的拷贝，都有相同的序列。

菲尔:那么澄清一下，在机器的高温下，DNA——通常是成对的双链——会分裂成两条单链。当每条链弯曲在流动细胞上形成一个桥时，它们会使用一种酶，这种酶利用桥的形状来形成那条链的互补对。然后它们重新站起来，因为仍然很热，它们又分开了。两条单线都弯曲，你继续前进。他们使用的酶真的很酷，因为它们需要在高温下工作，所以Illumina经常从生活在深海热喷口周围的小细菌中获取酶。利用它们，这个过程在流式细胞上数十亿个孔中的每一个孔中产生数千个DNA拷贝。

文斯:那么下一步就是我们在实验室里修改了这些DNA的化学组成部分。我们对他们做了两件事。首先，我们给它们添加了荧光染料。我们做的另一件事是加入了一个叫做终止线的东西，或者实际上是可逆终止线。

菲尔-那不是阿诺德·施瓦辛格，但他能做一个三点转身?

文斯-是啊，跟阿尼没关系。这是一种对DNA天然构建块的化学修饰，它可以阻止你在一条正在生长的DNA链上一次添加多个碱基。如果这里没有它酶就会在一个步骤中完整地复制一条链。你不可能一个字母一个字母地看到DNA。

什么酶?

文斯-这种酶叫做DNA聚合酶。在自然界中，你加入DNA聚合酶来复制DNA，它会非常迅速地沿着DNA链进行复制。在我们的系统中，我们一次只能构建一个DNA模块。然后，我们对整个液流池进行成像，看看是哪种颜色的基底被点亮。然后我们可以用另一种化学方法去除染料，荧光染料，也去除这个终止物。这个过程不断重复……

菲尔-冲洗，重复。

文斯:没错。