世界最小的可攜式測序裝置
比手掌還小、重量100克左右,貌似印章盒的長方體,就是Oxford NANOPORE Technologies公司推出的DNA測序裝置──MinION。除了體積小的優勢,MinION在使用上也相當簡單;只要將接線插入電腦USB孔,打開操作軟件設置參數,再把樣本滴於儀器的預設孔洞後,就可以開始分析。MinION具有可讀取的DNA長度(試驗中已成功測序20萬對鹼基序列),測序過程中能同時看到已經讀出的結果,不用等到程序完全結束。這樣不僅能應付幾乎所有非基因體測序用途的DNA解碼工作,更有即時追踪和運用測序結果的能力,不會出現測序後才發現操作失誤或樣本處理失敗而得不到結果的問題。
關鍵技術──納米孔(Nanopore)
MinION的測序芯片是以一塊不導電的帶孔聚合物膜為基底,在各孔嵌入一個僅能讓單股DNA通過的蛋白質納米通道。當DNA經由解開雙股螺旋的酵素拆成兩條單股後,其中一條會被一點一點推過蛋白質通道。此時孔洞側邊的測序單元便判斷經過的分子代表基因密碼A、T、C、G中的哪一種,並讀出判讀結果到外接電腦記錄序列密碼。而其中一股讀完後,互補的另一半也會接著送進去再讀一次,最後互相對比以增加準確性。另外由於一片芯片上有數百處孔洞,能同時多頭進行讀取,因此Oxford NANOPORE Technologies公司宣稱一次能夠測序一億五千萬個鹼基的密碼長度。相對來看,人類基因體共有約三十億個鹼基,因此理論上用20台手持MinION裝置即可完成測序,效率與當初耗費11年才完成的人類基因體測序計劃不可同日而語。
限制與待改進之處
雖有上述眾多優點,MinION過高的錯誤率一直是其最大痛點。雖然內部測試人員宣稱只有5%的錯誤率,但許多研究人員使用後卻發現誤差可高達30%。當中重複的相同鹼基序列是測序的最大問題。而且即使可達95%的準確度,也不及臨床和鑑定可接受的門檻;試想,人與人之間的基因序列只有1%的差異,法治機關可用準確度只有95%的機器確定DNA殘跡來自某位特定人士,並進行定罪甚至判死嗎?相較於MinION,Illumina公司旗下的測序機器已可達到> 99.98% 的準確度,且單次耗材花費也低上許多;但是機器較笨重而昂貴。為了彌補上述缺點並追上對手,MinION的開發人員正積極進行改良,如改善讀取裝置的靈敏度,提升分析軟件以拼出準確度更高的DNA序列等等。
MinION終究會顛覆現有生物研究的框架
或許有人質疑原有的DNA測序儀器已經發展成熟且費用相對低廉,那一個錯誤率可能高達三成的新產品有什麼競爭力?參照Oxford NANOPORE Technologies公司的企業目標:讓任何人在任何地方都可以對任何生物進行分析,這款可攜式DNA測序裝置即使在資源匱乏的地方也能及時完成重要工作。例如埃博拉病毒時期,就有科學家帶著MinION進入疫區,當場取得檢體並在短時間內鑑定出造成疫情爆發的病毒株。此外,美國國家航空航天局(NASA)也正在測試此裝置能否在無重力環境下使用,並預計未來將投入火星探索計劃,第一時間分析紅色星球上任何有機物質。除此之外,經過改良而提升精度的MinION,可作為中小學基礎教育的一環。所以MinION帶來的新概念是:生物和基因研究將不再是高知識、高資本的高門檻工作,而是有機會像科技資訊一樣更為普及。屆時,人人都有機會成為下一個基因界的達爾文!
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