2016十大科技新闻评选 | 之二十二:人类首次太空DNA测序,结果震惊世界!

第33期 航天工程,DNA测序,崭新时代, 2016-12-20 13:17:59
来源:中国科技网
作者:张迪 编辑:张迪
【编者按】

2016年8月末的一则新闻引爆了科技圈,NASA宇航员在国际空间站内成功完成微重力条件下的DNA测序,也证明了人类有能力对对太空活体生物进行基因测序,那么现在我们就一同来回顾一下当时的情景,重新领略那个震撼全球的时刻。

首次太空DNA测序与地球上的结果“完美匹配”

美国国家航空航天局(NASA)官网30日宣布,刚过去的周末,NASA宇航员凯特·鲁宾斯在国际空间站内成功完成微重力条件下的DNA测序,这标志着人类已迎来“能对太空活体生物进行基因测序”的全新时代。

刚完成测序任务的鲁宾斯表示,她与地面同事一起见证了基因和系统生物学研究来到了太空。“我们现在开启了一个全新的科学领域——太空基因组和系统生物学。”

这次太空测序是“生物分子测序研究项目”的一部分。测序使用的是英国牛津纳米孔公司提供的MinION测序仪,只有手掌大小,既方便又快捷。测序原理是通过纳米孔施加电流,同时让含有检测样本的液体流经检测仪,不同的DNA分子会引起不一样的电流变化,通过电流变化就能识别出这种基因序列的生物。

纳米孔测序仪将掀起新一轮测序革命

早在2012年的时候,一家名为OxfordNanopore的英国公司就发布了一款口袋大小的DNA测序器。当时人们都难以置信,因为通常这种产品都会有冰箱那么大。在解决了一些BUG和技术问题后,这家公司终于把它命名为MinION,并进行了一系列的测试。

MinION的尺寸之小,只有一支笔的长度,重大约100克。MinION完全颠覆了测序仪的形象。它可以直接通过USB链接到笔记本上,原始的电流信号通过网络传到英国的服务器上,进行Basecalling。

纳米孔测序没有测序长度的说法,因为它完全颠覆了测序读长的定义。事实上,它总是能够完整的把一条DNA链从头测到尾,因此它的测序读长就是DNA的长度。极端的情况是,一整条染色体都可以从头测完,但是一般来说样本制备时DNA会断开。根据UCSC报道的用户使用的结果表面,一般读出的reads平均为1kb-5kb,这个读长完全是因为样本打断到了这个尺寸。最长的reads可长达120kb。一个MinION有500个纳米孔在并行测序,每个孔每秒测30bp,因此,要测到1G的数据,需要3天时间。

纳米孔技术产品的出现意味着第四代测序技术的诞生。但纳米孔测序真正给基因组学研究和临床应用带来重要的变化,还有非常长的路要走。也许10年之后,我们能看到一个成熟的,快速,准确的第四代测序。

人类开启太空活体生物基因测序全新时代

项目组将事先准备好的老鼠、病毒和细菌的DNA样本带到空间站,由鲁宾斯在太空进行检测,而地面团队成员同步对类似样本进行测序。比较后发现,太空和地球上的两种测序结果能完美匹配。

项目主管、NASA微生物学家萨拉·卡斯特罗-华莱士说:"下一步我们将把整个测序过程搬到太空,不再带样本到太空,而是直接在太空准备样本,然后进行基因测序。宇航员将不仅能对已知的生物测序,还能在太空完成取样、准备样本和测序整个过程,最终识别出未知的外星生命。"

有了在太空中测序DNA的方法,就能识别出国际空间站内的微生物是否威胁宇航员的健康,帮助地面科学家随时了解宇航员们的生活环境,及时告知他们是否要做清洁或服用抗生素。太空DNA测序仪对未来造访火星等需要长时间待在空间站的宇航员来说,是保护他们健康的重要工具。

另外,测序仪还会成为空间站其他科研的重要工具,比如直接检测绕轨飞行中遗传物质或基因表达的变异,而不用再像以前一样等几个月返回地球后才知道结果。

MinION测序仪有望在极端环境中检查人类疾病

MinION测序仪登上太空,科学家们不是为了证明基因测序的飞速发展,而是想利用其来帮助人类在极端环境中诊断疾病。

对于该试验,Rubins宇航员有自己的一些期望,她说,"目前,我们不能实时分析太空中发生在人类以及细胞中的事情。我们的空间站拥有一个具有15年历史的干净水源,但是这些水源是否存在微生物还无人知晓,也许DNA测序仪可以帮助我们解答这个问题。"

目前,MinION测序仪在太空中与其他的诊断仪器相连,例如PCR仪。如果MinION能把太空中的微生物都"鉴定"出来,那么它有望帮助空间站中的宇航员诊断疾病,以了解致病微生物是否对抗生素敏感,这样一来可以节省太空中宝贵的药物。

在太空中完成DNA测序,同样为偏远地区或地球上贫困地区的DNA测序铺平道路。Rubins说,"这类装置可在疫情爆发时、或在没有足够的设备资源的诊所中进行一定类型的疾病诊断。"