世界各地的科学家们正在竞相对DNA进行测序以破译遗传的蓝图，将遗传物质链通过分子大小的纳米孔使得测序相比以往更快速更廉价。现在来自犹他大学的科学家们采用这种“纳米”技术来发现可能导致突变和疾病的DNA损伤。化学家们在本周6月
18日的《美国科学院院刊》(PNAS)上报告了最新的进展。
“我们在利用这一技术和有机合成化学从而在DNA通过纳米孔时能够看到损伤位点，”新研究的共同资深作者、犹他大学化学系主任和著名教授Henry
White说。
DNA链是由已知的A、T、G和C“核苷酸碱基”构成，DNA链的一些片段是基因。
新方法寻找的是称为“脱碱基位点”的碱基缺失位点，它是人类基因组30亿碱基中最常见的一种损伤形式。当我们接触到从阳光到汽车尾气等一切事物时在一个典型的细胞中这种损伤每天发生1.8万次。大部分损伤会得到修复，然而有时候它会导致基因突变并最终致病。
文章的另一位资深作者、犹他大学著名化学教授Cynthia
Burrow说将纳米孔损伤检测与其他改变DNA的化学方法相结合，研究人员希望通过将损伤转换为缺失的碱基从而使这种新技术能够检测到其他类型的DNA损伤。
她补充道：“DNA碱基损伤会导致许多年龄相关的疾病，包括黑色素瘤、肺癌、结肠癌和乳腺癌;亨廷顿舞蹈症以及动脉粥样硬化。”
朝着更廉价、更快速的DNA测序
测序就是指确定构成DNA双螺旋结构的两条碱基链其中一条核苷酸碱基A、C、G和T顺序的过程。它是用于测定活生物体基因组或遗传蓝图，以及发现基因中致病突变的一种基本方法。
White
说：“20年前，测序首个人类基因组的成本为10亿美元，而现在成本支付在5千到2万美金之间。国立卫生研究院已经启动了为期数年的1000美金基因组计划，未来价格有可能降到更低。”
DNA测序在很多方面都极其重要。它可被警察用于表明或澄清犯罪嫌疑，生物学家用它来了解每个活生物体。“你可以将它应用到农业中修饰一个植物基因组来生成更好的植物，”White说。
更快、更廉价的个人基因组预示着“个体化医学”时代，基于每个人的遗传易感性制定治疗。
纳米孔测序让浸入在称为电解质的电荷溶液中的DNA链通过纳米孔。一些溶液也正流过孔隙。不同DNA碱基通过孔隙时，会阻止不同量的电气化溶液通过孔隙从而研究人员可以检测到不同的电流水平。
利用纳米孔寻找损伤
与获得DNA纳米孔测序的努力不同，在DNA链通过孔隙时犹他大学的化学家们并没有读取DNA序列——尽管他们最终希望这样做，然而“我们正在检测的是单碱基损伤，”White说。
他补充说：“了解一个损伤碱基如何导致突变是非常重要的，因为这是疾病发生的第一步。现在，我们可以看到受损位点并说出它在我们正分析的DNA片段内大约位置。”——大约5个或10个碱基内。我们的目标是精确定位损伤位点，了解特异位点的损伤如何导致疾病。
到目前为止，犹他大学化学家们使通过纳米孔的最长DNA片段为大约100个碱基，他们能够检测1个或2个受损位点。
White
说：“我们还有大量的研究要做，并提出改善的途径。这是非常有前景的新方式。目前还没有其他的方法可以做我们正试图在做的事情，”换句话说，不仅确定损伤，而且得到序列信息精确定位在一条DNA上的损伤位点。
许多DNA测序仪和犹他大学化学家所利用的孔是一种称为α-溶血素的来自细菌的蛋白。为了让DNA通过这一孔隙，用玻璃管底部的玻璃膜制成一个小孔(仅400纳米宽，大约一根人头发的一半宽度)。脂质双分子层扩展开，形成跨孔的膜。这种蛋白质孔嵌入在脂质双层中。
蛋白质孔有点呈蘑菇形状——顶部较宽用于捕获DNA链，底部较窄是DNA链必须通过小孔之处。小孔最窄的部分只有1.4纳米宽，相比必须通过孔隙的1纳米宽的单链DNA并不宽多少。
数十亿个构成一条DNA链的碱基附着到糖和磷酸盐骨架上。为了以缺失碱基的形式寻找DNA损伤，研究人员接通了电压，使得电流通过电解液。因为构成DNA骨架的磷酸盐为负电荷，在孔外液体中的阳电极会拉着DNA通过孔隙。
研究人员通过去除一些碱基在一些DNA上构建出损伤。碱基缺失的地方，DNA骨架上的糖被暴露。化学家将一个环形或冠形的化学品“18-crown-6
ether”附着到糖上。
其诀窍是让附着冠醚(crown ether)的DNA缓慢通过纳米孔从而使缺失的碱基可以被检测到。
Burrows将这一过程比喻成穿针。DNA链一旦通过针眼，就可以快速通过，存在的微小损伤位点(DNA中的凹痕)永远不会被注意到。除了在这种情况下，化学家们将凹痕转变为了DNA链的小环冠醚。DNA通过通过小孔的速度取决于标记
DNA损伤位点的冠醚环的硬度和大小。这可以通过将盐添加到环上进行改变。
化学家们测试了不同的盐寻找最好的用作电解质：氯化钾，氯化锂和氯化钠。无论是用什么盐，正离子(钾、锂或钠)在环内结合。当DNA链通过孔隙时这可以帮助研究人员读取电流。
但是由于钾太大，使得醚环如此坚硬它不能压缩通过纳米孔。锂太小，使得醚环太快通过纳米孔不能检测到损伤。
但是当Burrows和同事们利用来自食盐的钠，DNA和标记DNA损伤位点的冠醚以适当的速度滑过纳米孔被检测到：一个未损伤DNA碱基大约百万分之一秒，标记一个碱基缺失位点的一个冠醚环大约需千分之一秒，Burrows说。
