美研发利用LED灯加速DNA复制新技术

2015-08-05 09:03:22 hlst002 2

加州大学柏克莱分校的生物工程学家研发出一项新科技,利用LED光源的开/关提高加热或冷却基因样本的速度,以降低实验成本并将实验速度提升数倍。

  生物工程学教授,本研究的资深研究员Luke Lee教授表示:“光电PCR系统是一个快速、敏锐且低价的检测方法。它能与超快基因组检测芯片结合运作,这能使PCR系统在医疗领域发展出实际用途。因为这项技术能够提供实时血糖检结果,我们可以使用于各种不同的环境中,不论是非洲乡下或医院急诊室皆适用。”据7月31刊于《Light: Science & Application》期刊的研究显示,这个超快温感调控技术,大幅扩展聚合酶链锁反应(polymerase chain reaction ,PCR)测试的临床及研究应用,将原本超过一小时的检测时间,大幅减至短短几分钟。

  聚合酶链锁反应(以下简称PCR)测试藉由复制单一DNA序列,制造出数千至数百万的副本,从复制学研究到鉴证分析及亲子鉴定,这样的技术已经成为基因学应用的重要环节。PCR测试多应用于初步诊断遗传及传染性疾病,同时用来分析古代木乃伊和长毛象的DNA样本。

  1993年,发现者凯利‧穆利斯(Kary Mullis)及麦可‧史密斯(Michael Smith)使得PCR测试有重大突破,对现代科学的贡献,因而得到诺贝尔奖肯定。

  使用LED,加州柏克莱大学研究人员能在薄层黄金接口上加热电子及DNA溶液。他们计算加热溶液的速度,大约为每秒摄氏12.7度。降温时可达到每秒摄氏6.6度的惊人速度。

  生物工程学教授,本研究的资深研究员Luke Lee表示:“PCR是很有利且在医疗界广泛使用的测试,但是现有的PCR测试系统相对较耗时。考虑到传统的加温器仪器耗电量大且造价昂贵,一般通常在实验室里进行此测试。由于整个过程大约需一小时,因此不适合用于实时血糖检测。我们的系统却能在几分钟内得出检测结果。”

 传统PCR测试的耗时之处在于加热以及降温DNA溶液的过程太长。PCR检测需要重复温度改变才能进行─在三个温度点之间平均要重复30个循环─以复制基因的序列。这个过程牵涉到拆解双炼的DNA序列,并将单炼与其对应链结合。随着每次加热降温的循环,DNA样本数将会双倍成长。

  为了提高温度循环的速度,Lee教授和他的研究团队利用电浆子光学(plasmonics)的原理,或所谓的光与电子在金属表面的互动现象。在接收到光照时,自由电子会渐趋活跃而开始震动,产生热能。一旦切断光照,振动及热能就消失。

  黄金因为其易吸光的效率而成为这种电浆子光学电子热能加热的热门金属接口。除此之外,其附加价值是能够植入生物系统中,因此可以用于生物医学工程应用。在研究中,研究人员使用120奈米厚的黄金薄层,大概是一个狂犬病病毒的宽度。黄金被置于一片微流道芯片上,用来装载PCR混合物与DNA样本。

  光源为一道置于PCR芯片下方的现成LED灯。LED灯调整为光加热效率最高的最大辐射450奈米波长。研究人员能在5分钟之内将整个循环重复30次由摄氏55度加热至摄氏95度循环。他们测试了光电PCR系统复制样本DNA的效率,发现结果优于传统PCR测试。

  此研究的主导研究员Jun Ho Son是Lee教授研究室中的柏克莱博士后研究员。比尔与美琳达•盖兹基金会以及韩国国家研究基金会赞助支持此研究。

  由此研究能够预见, LED与生物科技结合的例子,预期未来会越来越多,不只是植物照明、医美光源而已。